碳纤维性能优异、应用广泛，其高强度与高模量的特性使其在宇航、产业、体育方面大量采用，现有的碳纤维的科学研究主要集中在碳纤维的化学工艺方面，而对于碳纤维来说有关力学性能方面的研究却较少，重要的理论仅有微裂纹理论和最弱连接理论两种。本文根据碳纤维的实际观测的细观结构特点，提出了由碳键结合构成大分子面层，并由大分子面层组合形成带有缺陷的碳纤维的复杂微观结构模型，其中缺陷在碳键上的影响体现在碳链能否传递荷载，大分子面层上的影响体现在碳链所分配的荷载的多寡，以及纤维上的影响体现在实际承受荷载的碳链数量，即有效受力面积。此跨尺度建立模型通过数学统计，得出相应的数学公式对碳纤维的单根强度给与统计表述，以及对于大量纤维给与分布描述。将所得拉伸强度理论结果与微裂纹理论、最弱连接理论进行比对论证，得出带有缺陷的复杂微观结构模型的正确性，得出相类似的影响碳纤维强度因素以及影响方式，并且大量纤维统计所获碳纤维强度分布也与带有缺陷的复杂微观结构模型像统一。本文所采用的模型比微裂纹理论模型和最弱连接理论模型更加接近纤维的真实结构。根据模型假设以及数学推导，可以得出碳纤维的各种参数对纤维的影响方式和影响效果，并且可以给出相应的数学公式。碳纤维的含碳量、晶格数量、微纤取向、长度、直径、杂质、空洞以及裂纹都对碳纤维的强度与模量产生影响，使得碳纤维的实际强度与理论值有差距。据本文所阐述理论可以解释碳纤维的强度值由理论上的180GPa如何逐步的降低到实际工艺中2～5GPa的强度值。