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石墨烯是一种具有六角形蜂巢晶格的二维晶体,由碳原子以sp2杂化轨道形成。由于在强度、导热性、电子输运和光学等方面显示出不同寻常的特性,石墨烯迅速成为材料科学、物理、化学和力学等学科的研究热点。石墨烯的变形通常会引起电学、磁学和光学特性的改变,研究石墨烯的力学特性对其在纳米材料、纳米器件和纳机电系统中的应用具有重要的意义。可以在原子尺度上对石墨烯进行材料设计,比如引入缺陷和掺杂官能团可以调控石墨烯的力学和其它物理特性。为克服石墨烯二维结构在工程应用中的局限性,三维化石墨烯复合材料研究受到了广泛关注。研究复合材料中石墨烯的力学行为,以及石墨烯力学行为对复合材料性能的影响,对于设计石墨烯复合材料有着重要的指导意义。石墨烯的力学行为可以分为面内和离面二类。在石墨烯复合材料中,石墨烯通常是以界面的形式存在,其离面力学行为对复合材料的综合性能有着重要的影响。本文围绕石墨烯的离面力学特性及其对石墨烯复合材料力学性能的影响,展开了系统的研究。本文研究了单层石墨烯的静态和动态离面力学特性。石墨烯的静态离面力学行为方面主要研究屈曲,结果表明在不同尺寸下,石墨烯的屈曲总沿着特定手性方向发生。结合电子云排布、能量分析和连续介质力学平板模型,研究了手性和尺寸对石墨烯屈曲的影响机理。石墨烯的动态离面力学行为方面主要研究由离面激励引起的横波传递。研究发现石墨烯中横波传递速度在频率高于3 THz时出现明显的手性差异,且存在传播频率上限,该上限也和手性相关。基于连续平板力学模型,研究发现石墨烯横波传递的手性差异主要由弯曲刚度手性差异造成；而频率上限是当石墨烯横波波长和碳碳键长接近时非连续效应所致。在此基础上,提出可以使用横波干涉方法在室温下形成周期性、带隙非零的石墨烯涟波阵列。本文进一步研究了多层石墨烯在离面冲击载荷下的响应,结果表明石墨烯具有远高于其他材料的能量非局域化能力。在石墨烯上引入缺陷,是在原子尺度上设计石墨烯及其复合材料的基础。本文研究了不同入射原子在石墨烯上制造缺陷的能力,结果发现入射原子和碳原子作用越强,形成单空位缺陷的概率越低,直接置换碳原子的概率越高。晶界作为特殊的一种缺陷,通常也会对石墨烯的力学特性造成影响。结合石墨烯屈曲特性研究结果,发现晶界可以提高石墨烯纳米带的扭转强度,并改善其电子输运特性。本文研究了“石墨烯—铜”纳米层状复合材料在受到离面冲击和面内剪切载荷下的力学行为。结果表明,在遭受离面冲击载荷的情况下,复合材料中石墨烯界面的离面和面内力学特性存在很大差异,表现出“强—弱”二相性：一方面石墨烯弯曲刚度较低,受到离面载荷时并不直接承受载荷,而是作为弱界面弱化冲击波；另一方面石墨烯面内强度很高,可以作为强界面阻止位错的穿透,并且对位错进行修复。在承受剪切载荷的“石墨烯—铜”层状复合材料中,铜层限制了石墨烯界面的离面位移,石墨烯能在面内承担较大剪切载荷,使得复合材料的剪切强度和韧性大大提高。进一步,研究发现在卸载过程中石墨烯会对铜层中的位错进行修复。本文研究了石墨烯离面力学特性以及缺陷对石墨烯离面力学特性的影响,在此基础上研究石墨烯离面力学行为对“石墨烯—铜”层状复合材料力学特性的影响,这对于石墨烯及其复合材料的力学设计和应用有着非常重要的意义。