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类似衣袖在手臂上滑动的褶皱失稳过程可被看作是在坚硬的刚性基底上对薄膜进行单轴压缩的模型系统,由于曲率效应,此类模型系统比二维材料在刚性基底上的单轴压缩更为复杂。该模型系统在宏观尺度下已有成熟的研究,通过实验、计算和理论分析等方法探索了刚性圆柱上的软壳薄膜滑动问题,并在此过程中揭示了一种后屈曲现象的变化规律。如今纳米科技逐渐进入了人们的视野,石墨烯与其卷曲而成的碳纳米管等低维纳米材料逐渐被人熟知,纳米材料也因优异的物理性质,吸引了科研工作者极大的关注。本论文以纳米材料构成的薄膜-基底系统为研究对象,应用分子动力学方法,针对纳米管在基底作用下受单轴压缩模型系统所产生的行为展开研究,分析其变形规律及力学机理,提出纳米尺度下的薄膜-基底系统模型、软壳薄膜在基底上单轴压缩时的褶皱失稳过程及非理想化刚性基底在受单轴压缩薄膜径向应力下的变形行为,获得以下研究成果:(1)分析了纳米尺度下软膜-基底系统理想模型发生的平滑-褶皱-成脊-下垂各状态的转换过程及三种状态转换之间临界值的规律。受压过程中,纳米管首先弯曲成褶皱,进一步的压缩后完成褶皱到脊的过渡,当轴向应变增加到第三个临界值时,脊的隆起高度达到其极限并且发生对称性破坏,脊部下垂为倾斜状。碳纳米管和氮化硼纳米管都是由六元环结构的二维材料卷曲而成,这使得除材料本身影响外,沿相互垂直方向卷曲成的扶手椅(Armchair)型纳米管和锯齿(Zigzag)型纳米管因手性的不同使杨氏模量有差异,从而对其褶皱失稳过程产生影响。除此之外,温度的提高会加剧纳米管中各原子的热运动进而改变纳米管本身的褶皱失稳过程。结果表明温度的改变对碳纳米管各形态间的转换过程没有影响,但随着温度的升高碳纳米管有细微的不稳定现象,而此现象随温度的升高加剧。(2)揭示了理想刚性基底表面单原子层薄膜在纳米尺度下因原子排布和原子类型改变对轴压失稳过程的影响。考察了相同温度条件下手性的不同对碳纳米管褶皱失稳过程的影响。相同温度条件下锯齿(Zigzag)型纳米管在非变形区域的碳纳米管更为平滑,在脊下垂后没有下垂脊的生长过程而是发生二次成脊现象。在相同的基本模型尺寸下锯齿(Zigzag)型纳米管杨氏模量高于扶手椅(Armchair)型纳米管。(3)揭示了纳米铜柱受表面薄膜失稳引起的挤压塑性变形行为及径向尺寸变化的影响规律。考察了相同模型及相同计算设置在不同温度环境下基底变形差异。温度升高会导致原子热运动加剧,进而使得铜纳米柱变形区域增加。此外,还考查了薄膜及基底直径对基底变形的影响。结果表明薄膜-基底模型系统在纳米管、纳米柱双重尺寸效应影响下,内部铜纳米柱直径越大变形越小。(4)分析了氮化硼纳米管与同尺寸碳纳米管在模拟计算过程中的差异。在刚性基底理想模型上,扶手椅(Armchair)氮化硼纳米管褶皱状态不规律,脊下垂方向与碳纳米管相反,变形区外平滑区域十分平滑且应力分布均匀;其能够在自由基底上完成平滑-褶皱-成脊-下垂各状态的转换过程,且褶皱周期性有所加强、脊下垂方向与碳纳米管一致并伴有二次成脊现象。结合其内部基底仅发生弹性应变得出结论:氮化硼纳米管杨氏模量大于同尺寸碳纳米管。