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镁基复合材料（Magnesium matrix composites,MMCs）具有比强度高、比模量高、密度小和热稳定性好等一系列优点,成为航空航天、国防、交通运输、电子产品等领域装备轻量化的首选。石墨烯纳米片（Graphene nanoplatelets,GNPs）具备优异的力学、热学和电学特性,是MMCs理想的增强体。根据混合定律,用GNPs作为纳米增强体制备的MMCs将具备极其出色的性能。然而当前国内外广泛应用的制备工艺（如粉末冶金、熔体搅拌等）限制了GNPs/镁基复合材料的性能提升及推广应用,原因如下:GNPs在基体中团聚、不良界面反应及制备工艺复杂。针对以上问题,开展新型铸造制备技术研究,探索GNPs与镁合金均匀化复合集成工艺,缩短制备工艺循环时间及成型复杂构件,有望实现GNPs/镁基复合材料大批量实际应用。本文采用半固态注射成型铸造法制备GNPs/AZ91D镁基复合材料（GNPs/AZ91D magnesium matrix composites,AZ91D-GNPs MMCs）,研究复合材料的制备工艺、力学性能及微观形貌之间的关系,揭示GNPs均匀分散机制、断裂机理及强化机制,为金属基复合材料的制备及成型工艺设计提供新的研究思路。主要研究内容如下:（1）研究铸造成型过程中复合材料微观结构演化规律及GNPs添加对复合材料微观组织形貌的影响。经过高速注射成型后,AZ91D-GNPs MMCs凝固组织为细小、近球状的晶粒组织,晶粒向各个方向均匀生长,并没有明显择优取向。添加GNPs后复合材料晶粒显著细化,且内部位错密度比例增加。微观形貌分析表明GNPs均匀地嵌在Mg合金基体中,其周围未发现夹杂物、孔隙、孔洞等缺陷。物相分析表明在复合材料中只有Mg和Mg17Al12的衍射峰,没有检测到其他新的金属间化合物或金属碳化物生成。断口形貌分析表明GNPs添加使基体的断裂形式由脆性断裂转变为韧性-脆性混合断裂。（2）研究GNPs含量（C）和料管温度（TB）对AZ91D-GNPs MMCs微观形貌及力学性能的影响规律,并对铸造成型过程进行工艺优化。分析C和TB对α-Mg晶粒尺寸及形貌的影响;建立响应变量（抗拉强度（UTS）、延伸率（δ）、维氏硬度（HV）和孔隙率（P））与解释变量（C,TB）之间的非线性函数关系-二次数学预测模型。通过响应曲面图建立解释变量之间交互作用对力学性能的影响评价。（3）研究螺杆搅拌速率（RS）和注射速度（VI）对AZ91D-GNPs MMCs微观形貌、GNPs分散程度及力学性能的影响规律,并对铸造成型过程进行工艺优化。分析RS和VI对α-Mg晶粒尺寸、晶粒形貌、GNPs分散性的影响规律;建立不同GNPs含量下（0、0.1、0.3、0.6、0.9和1.2 wt%）响应变量（P、HV、UTS和δ）与解释变量（RS和VI）之间的非线性函数关系-二次预测模型。通过响应曲面图建立不同GNPs含量下,RS和VI之间交互作用对力学性能的影响评价。（4）研究半固态注射成型铸造过程中GNPs分散机理。GNPs在AZ91D镁合金基体中均匀分散过程:（a）AZ91D镁合金颗粒（AZ91D magnesium alloy chips,AZ91D-chips）与GNPs搅拌混合;（b）螺杆搅拌过程;（c）高速注射混合浆料。GNPs与AZ91D-chips充分搅拌混合后呈现以下三种状态:覆盖、吸附和镁合金颗粒间分散。混合颗粒在料筒中经历了L0-L4五个阶段:碰撞和摩擦（L0）、压实（L1）、外部区域先熔化+内部形成小熔池（L2）、熔池长大且合并到合金熔体中（L3）、形成混合浆料（L4）。（5）研究GNPs与AZ91D镁合金基体的界面组成成分、结构和界面反应,探究断裂机理及强化机制。GNPs与合金基体之间形成较强的结合界面,包括GNPs/Mg界面、GNPs/Mg17Al12界面、GNPs/MgO界面、Mg/MgONano和MgONano/GNPs界面,且GNPs结构保持完好,未遭到破坏,同时在界面处没有发现金属碳化物存在。典型断口形貌主要有以下三种形式:GNPs断裂、GNPs拉出、GNPs片层间断裂,且主要断裂形式是“GNPs断裂”。力学性能提高主要与以下因素有关:（i）晶粒细化;（ii）GNPs与合金基体之间形成了较强的结合界面;（iii）GNPs在AZ91D镁合金基体中均匀分散。