类金刚石纳米材料是指具有金刚石立方晶体结构的纳米材料,类金刚石纳米材料具有比表面积大、高强度、耐高温等不同于宏观材料的独特性能,可被用于复合材料增强增韧中,改善复合材料的物理和力学性能。本文应用纳米力学方法建立类金刚石纳米材料的多尺度分析模型,研究Si、SiO₂纳米材料纳尺度结构特征和力学特性。随后,将Si、SiO₂纳米材料应用到水泥复合材料改性中,通过纳米压痕试验研究增强增韧机理。主要研究内容如下:在Si、SiO₂纳米材料微结构特征研究的基础上,应用高阶Cauchy-Born准则计算原子键长,应用Tersoff-Brenner势函数描述原子之间的作用,基于代表单元的能量最小化建立了类金刚石纳米材料的多尺度本构模型,并编写了计算程序,系统研究了Si、SiO₂纳米材料的结构特征和力学特性。计算结果显示:单晶硅弹性模量随不同晶向发生变化,表现出各向异性,然而在[112]和[110]晶向弹性模量非常接近;在平行和垂直（111）晶面方向,单晶硅剪切模量和泊松比均为定值,不随晶向而改变,且平行（111）晶面方向剪切模量和泊松比大于垂直（111）晶面方向的值;在平行和垂直（110）晶面方向,单晶硅剪切模量和泊松比呈现各向异性的特性;单晶硅弯曲刚度在不同晶面展现出各向异性,且弯曲刚度随不同晶向发生变化。通过使用分散剂和超声波分散技术将Si、SiO2纳米材料充分分散到水泥基体中制备水泥复合材料。将纳米水泥复合材料制作成标准的纳米压痕试样,应用纳米压痕仪对试样进行压痕测试,通过分析试样表面阵列式测点的硬度和弹性模量分布规律,研究了纳米材料对水泥基体微观力学性能的改性机理。试验研究得出如下结论:纳米SiO₂和纳米Si通过提高基体中HD C-S-H凝胶的含量,增强水泥集体的宏观力学性能和耐久性;纳米SiO₂和纳米Si的掺入对基体早期凝胶弹性性能的增强作用高与水化后期;对比不同掺量的压痕结果显示,纳米SiO₂和纳米Si对水泥基体的改性作用,存在最佳掺量;水化龄期对基体中凝胶弹性性能的影响结果说明,水化龄期只引起C-S-H凝胶堆积密度的变化。