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金属铜高的电导、热导率、优异的化学稳定性和抗腐蚀能力，使其具有广泛的应用，例如可以用作热交换器、触头材料、换向器及滑动电接触材料等。但是纯铜强度低、耐磨性差，极大地限制了材料的使用。引入陶瓷颗粒可以有效地改善金属铜的性能，这种方法在使材料力学性能得到提高的同时，并不会明显降低的材料电导率。三元层状陶瓷具有高的电导率和热导率、低的密度、较高的模量和硬度，是金属铜理想的增强相。本论文系统地研究了Ti3AlC2和Zr2Al3C4增强铜基复合材料的制备、显微结构和性能。主要研究目标为：揭示三元层状陶瓷增强铜基复合材料的显微结构与材料的电学、力学和摩擦磨损性能关系。主要开展了以下几个方面的工作：
首先研究了高温下Cu与Ti3AlC2的反应：在850℃，Ti3AlC2与铜基体通过一个约10 nm厚、由TiCx和Cu(Al)固溶体组成的高强度界面层连接；在1000℃以上，Ti3AlC2完全转化为TiCx，生成的TiCx与Cu之间的界面以原子间互扩散直接结合。根据显微结构观察的结果，设计和制备了两种复合材料，即Ti3AlC2增强Cu基复合材料和原位TiCx颗粒增强Cu基复合材料。对这两种复合材料的显微结构、电学、力学和摩擦磨损性能的研究发现：Cu/Ti3AlC2复合材料同时具有低的电阻率和较高的强度；原位Cu/TiCx复合材料具有很高的强度，却损失了一部分导电性。在两种复合材料中都生成了高强度的界面，有利于载荷由基体向增强相传递，充分地发挥了增强相的强化效果。此外，Ti3AlC2和原位TiCx颗粒的引入都可以改善材料的滑动摩擦磨损和磨粒磨损性能。复合材料中增强颗粒能够有效地承担载荷，使磨损机制发生改变，显著地降低了材料的磨损率。
与Ti3AlC2相比，Zr2Al3C4具有更高的硬度、模量和强度，而其密度和电导率与Ti3AlC2相近，也非常适于用作金属Cu的增强相。接下来，制备了一系列Cu/Zr2Al3C4复合材料，并对材料的显微结构、电学、力学和摩擦磨损性能进行了研究。在Zr2Al3C4含量较低时，增强相的加入可以有效提高材料的硬度、拉伸和弯曲强度，而不明显降低材料的断裂韧性。在整个增强相含量范围内Cu/Zr2Al3C4复合材料具有良好的导电性，其电导率与Cu/石墨复合材料的电导率相近，然而前者具有更优异的机械性能、制备工艺也更简单。对Cu/Zr2Al3C4复合材料摩擦磨损性能的研究表明：复合材料与合金钢盘问的磨损机制以轻微的氧化磨损为主，在显著降低复合材料磨损率的同时，对磨副也保持较低的磨损率。优异的导电性和摩擦磨损性能使Cu/Zr2Al3C4复合材料在电接触和摩擦领域具有广阔的应用前景。
通过对Cu/Ti3AlC2、原位Cu/TiCx和Cu/Zr2Al3C4复合材料的显微结构与性能的研究发现：Cu基复合材料的显微结构，尤其是界面结构对复合材料的力学和电学性能有重要影响，并据此提出三元层状陶瓷颗粒增强铜基复合材料的显微结构优化设计方案。进一步依据复合材料性能优化设计方案，利用三元层状可加工陶瓷与金属Cu反应的可控性，设计了具有优异综合性能的Cu/Nb4AlC3复合材料以及Ti3AlC2和Zr2Al3C4颗粒混杂强化铜基复合材料。