相较热固性复合材料,热塑性复合材料因其具有韧性强、抗冲击、可二次加工等优势,近年来已经开始被应用于飞行器的主、次承力结构设计中。作为一种典型的特种工程塑料,聚醚醚酮（PEEK）成为当前航空工业中最具使用前景的热塑性材料。然而,下一代飞行器面临发射和运行的宽频振动和冲击载荷环境,PEEK的力学性能仍不能完全满足飞行器承力结构的轻量化、承载、减振等多力学性能指标需求。以碳纳米管（CNT）和石墨烯（GNP）为代表的碳纳米颗粒具有超高刚度和强度,且已经实现了规模化生产,有望成为下一代航空航天关键材料,然而这些碳纳米颗粒对PEEK材料的拉伸力学行为、阻尼性能、抗冲击性能的改性机理仍不明确,限制了PEEK纳米复合材料多功能设计的发展与应用。现有PEEK基复合材料的材料研发仍然基于实验试错法开展,严重依赖开发者长时间积累的经验,极大地制约了PEEK衍生物及其纳米复合材料的研发,亟需将传统的实验试错法与基于材料基因工程理念的数字化材料研发方法相结合,以缩短PEEK纳米复合材料的改性设计周期,降低设计成本。因此,本文从PEEK分子结构设计、GNP堆叠特征设计和CNT界面改性三个方面分别开展了面向拉伸性能、阻尼性能、冲击能量耗散性能、界面特性等力学性能的PEEK纳米复合材料的分子设计与实验验证研究。首先,基于分子动力学模拟揭示了PEEK的微观拉伸力学行为,并基于材料基因理念构建了一系列官能团侧链改性PEEK的衍生物,筛选了多组轻质、高刚度、高阻尼的PEEK衍生物改性材料。进而,揭示了多层石墨烯耗散冲击能量的微观机理,通过实验验证了石墨烯对纳米复合材料冲击能量耗散性能的增强效果。最后,采用氨基官能化方法设计CNT和PEEK的界面,实现了CNT/PEEK纳米复合材料拉伸模量和界面剪切强度的大幅增强,通过实验验证了改性设计的有效性。本文主要研究内容如下:（1）采用分子动力学方法预测PEEK聚合物的拉伸力学性能,并基于拉伸实验和玻璃化转变温度验证了分子动力学模拟的准确性。通过自由体积表征体系空隙变化,均方回转半径表征分子链变形,揭示了分子链的非键作用对PEEK拉伸力学性能的主导机制,拉伸过程中非键能占总能量增加的70%以上。进而,采用氨基官能化PEEK的改性方法提高分子链间的非键作用,结果表明:氨基官能化PEEK体系的弹性模量和屈服强度较PEEK体系分别提高了21%和34%。此外,还讨论了应变率和温度对PEEK和PEEK-NH2力学性能的影响规律。（2）基于材料基因工程思想设计了一系列官能团侧链改性PEEK衍生物,采用分子动力学方法预测PEEK衍生物的动态力学性能。讨论了官能团类型、含量和分布对PEEK衍生物动态力学性能的影响规律;揭示了官能团增强PEEK衍生物动态力学性能的微观机理。氢键和π-H键等强非键作用增强了PEEK的储能模量,氢键的破坏与再生机制耗散大量能量进而增强PEEK的损耗模量,自由体积变小导致分子链相对滑移距离减小,使得阻尼因子逐渐收敛。此外,还建立了PEEK衍生物比刚度和比阻尼的材料基因图谱,筛选出多组轻质、高刚度、高阻尼等优异性能的候选PEEK衍生物。（3）联合实验和分子动力学模拟方法,研究了GNP/PEEK纳米复合材料的静态和动态力学性能,利用扫描电镜和原子力显微镜观察到GNP的多层聚集特征,该特征增强了PEEK纳米复合材料的刚度和能量耗散性能。进一步,建立了冲击波在GNP/PEEK纳米复合材料中传播的分子动力学模拟方法,系统研究了多层GNP微观堆叠特征与纳米复合材料耗散冲击能量性能的关联规律,并揭示了GNP耗散冲击能量的微观机理,多层GNP与PEEK的界面阻抗失配,反射了部分冲击波,进而衰减透射波的冲击强度。（4）通过CNT/PEEK纳米复合材料的拉伸分子模拟发现,随着CNT含量增加,纳米复合材料拉伸模量逐渐收敛;进而,采用氨基官能化CNT的界面设计方法,通过CNT拔出分子动力学模拟方法预测CNT/PEEK纳米复合材料的界面强度,结果表明:纳米复合材料界面强度和拉伸模量最高提升45%和27%。进一步,通过两组实验验证了氨基官能化改性策略的有效性,1wt%CNT-NH2/PEEK纳米复合材料的实验拉伸模量比CNT/PEEK纳米复合材提升6.3%,与基于分子模拟方法的5.5%提升基本吻合。设计并制备了GNP/CNT/PEEK三元纳米复合材料,其中4wt%CNT-NH2/1wt%GNP/PEEK纳米复合材料的拉伸强度和断裂伸长率比5wt%GNP/PEEK分别提高26.8%和14.7%。