【摘 要】
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金属基复合材料由于具有比相应的纯金属或合金更优异的力学性能,如更高的比强度、比刚度和耐磨性,因此,在航空航天、交通运输、电子信息等领域的应用日益扩大。石墨烯由于具有优异的本征力学性能,例如,单晶无缺陷的石墨烯具有极高的断裂强度（130 GPa）和弹性模量（1 TPa）,被认为是目前金属基复合材料实现高性能化的理想增强体。特别是,即使是有缺陷的石墨烯,其本征力学性能也显著优于传统的陶瓷颗粒和纤维增强
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金属基复合材料由于具有比相应的纯金属或合金更优异的力学性能,如更高的比强度、比刚度和耐磨性,因此,在航空航天、交通运输、电子信息等领域的应用日益扩大。石墨烯由于具有优异的本征力学性能,例如,单晶无缺陷的石墨烯具有极高的断裂强度（130 GPa）和弹性模量（1 TPa）,被认为是目前金属基复合材料实现高性能化的理想增强体。特别是,即使是有缺陷的石墨烯,其本征力学性能也显著优于传统的陶瓷颗粒和纤维增强体。通常情况下,石墨烯被随机引入到金属基体中形成“均质”的石墨烯-金属复合材料。相比于金属基体,这种“均质”石墨烯-金属复合材料的强度和模量都有显著提高,但是其塑韧性却显著下降,限制了石墨烯-金属复合材料应用的广度和深度。复合构型化是目前解决金属基复合材料强韧化矛盾问题的有效途径。考虑到石墨烯的二维平面结构特征和生物硬质材料精细纳米叠层复合构型在强韧化方面的优势,设计具有仿生纳米叠层结构的“异质”石墨烯-金属复合材料不仅能够有效发挥复合构型效应,而且也有利于增强体优异本征力学性能的发挥。因此,本论文以石墨烯（“还原的氧化石墨烯”的形式,RGO）和纯铝粉末为原料,采用仿生复合制备工艺,制备了不同铝基体层厚和不同石墨烯/铝界面间距的仿生纳米叠层石墨烯-铝复合材料;采用扫描电子显微镜（SEM）、聚焦离子束（FIB）、透射电子显微镜（TEM）、拉曼光谱（Raman）、扫描透射电子显微镜（STEM）和电子能量损失谱（EELS）表征了复合材料的显微结构和石墨烯/铝界面的本征结构;采用宏观力学和微纳力学相结合的方法研究了复合材料的宏观尺度和微纳尺度力学性能,建立了微纳尺度与宏观尺度力学行为的关联性;在此基础上,采用微纳力学方法从应变速率和石墨烯/铝界面间距的角度深入探究了复合界面在仿生纳米叠层石墨烯-铝复合材料强化和塑性变形中的作用机制,为高性能仿生构型金属基复合材料的优化设计提供了依据与准则,也为进一步对具有更复杂组分和非均匀复合构型的金属基复合材料的研究奠定了基础。本论文的主要研究结果如下:（1）改变铝粉球磨时间分别为1 h,2 h和4 h,保持石墨烯在叠层界面处的覆盖面积和平均片径不变,制备了铝基体叠层厚度分别为1μm,500 nm和200 nm的仿生叠层石墨烯-铝复合材料。另外,保持铝粉球磨时间为4 h,石墨烯的体积分数为0.5%,改变石墨烯的片径大小,获得了铝基体叠层厚度为200 nm,石墨烯/铝界面间距分别为221 nm和68 nm的仿生纳米叠层石墨烯-铝复合材料。（2）不同铝基体层厚和不同石墨烯/铝界面间距的仿生纳米叠层石墨烯-铝复合材料中石墨烯/铝复合界面均为厚度约5 nm的石墨烯层（小于15层）夹在2-5nm厚的非晶氧化铝层之间形成的“三明治”结构。另外,石墨烯/铝界面的石墨烯内部以sp2杂化碳原子为主,占比例为78.9±1.6%。相比于石墨烯内部,石墨烯/氧化铝界面处的sp2杂化碳原子占的比例有所下降,为72.1±1.3%,这说明复合界面处部分sp2杂化键转化为sp3杂化键,石墨烯/氧化铝界面很可能通过碳-氧键相结合。（3）通过对不同铝基体层厚的仿生叠层石墨烯-铝复合材料开展宏观单轴拉伸测试,结合变形后铝基体和界面附近的位错分布和断口形貌观察,发现当铝基体层厚减小到某一特征尺度（200 nm）时,石墨烯才能有效发挥其在复合材料中的强化潜力,实现仿生纳米叠层石墨烯-铝复合材料的强度与塑韧性的协同效应。（4）通过用FIB从叠层厚度为200 nm的石墨烯-铝复合材料中制备不同外在直径的复合微柱并对其开展单轴压缩测试,发现用微纳米尺度力学方法研究纳米叠层石墨烯-铝复合材料强化和变形行为时的微柱最佳尺寸在2μm到3.5μm之间。（5）通过对铝层厚度为200 nm的90o仿生纳米叠层石墨烯-铝复合微柱开展不同应变速率下的单轴压缩测试,结合应变速率敏感性指数m值和激活体积V*值,以及精确定点的微柱横截面显微结构分析,发现石墨烯引入内层界面之后与位错的相互作用引起的复合材料强化和变形行为与应变速率有关。（6）通过对不同石墨烯/铝界面间距的复合微柱开展基于单次和多次加载-卸载循环测试以及精确定点的微观结构分析,发现在不改变石墨烯增强体类型和含量的情况下,石墨烯/铝的界面间距减小3倍,石墨烯-铝复合微柱的强度提高约15%,同时变形机制发生显著改变。
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