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复合化是金属材料提高力学性能的有效途径。在金属基体中加入具有特定性能或优异综合性能的第二相形成金属基复合材料(Metal Matrix Composites,MMCs),可以弥补金属基体的某些性能短板,实现综合性能的提升。在传统的金属基复合材料中,人们往往希望增强体在金属基体中能实现均匀分布,从而避免因增强体的团聚导致应力集中的产生,使得复合材料整体力学性能降低。但这类以相与组织在空间均匀分布为特征的复合构型不利于最大程度地发挥不同组分之间的协同耦合效应,进而造成复合材料在强度和刚度提高的同时,塑韧性明显下降,制约了MMCs在工程应用领域的发展。近年来,纳米增强相以其独特的物理、力学等性能优势备受青睐,以碳纳米管,石墨烯等增强相为代表的新一代增强体成近年来在复合材料领域的研究重点。与采用均匀复合构型的传统MMCs不同,启迪于自然生物材料的精细构型,本研究小组以具有高强高模的石墨烯(还原氧化石墨烯,reduced graphene oxide,RGO)作为增强体,采用改进的粉末冶金技术制备了石墨烯增强铝基纳米叠层块体复合材料。在此基础上,为了进一步揭示石墨烯增强铝基纳米叠层复合材料的韧化机制,本文在石墨烯增强铝基纳米叠层块体复合材料的表面上制备出具有不同叠层取向的符合尺寸规定的悬臂梁复合试样,并在相同条件下对微米尺度悬臂梁进行原位弯曲试验。通过调控石墨烯增强铝基纳米叠层复合材料的叠层取向,本文定量评估了在不同取向下石墨烯的韧化效果,同时,原位测试技术保证能全方位观测弯曲过程中悬臂梁断裂即裂纹扩展的全过程。研究结果表明,裂纹扩展方向垂直于叠层取向时,石墨烯对裂纹扩展具有明显的阻碍作用,使得裂纹在扩展过程中发生明显的偏转现象。而当裂纹扩展方向平行于叠层时,裂纹扩展过程中阻碍作用减小,裂纹倾向于在层间快速扩展,进而使得材料发生失效。实验证实了不同叠层取向下裂纹尖端应力应变场的差异性是导致其断裂性能出现差异的主要原因。同时,本文采用宏观三点弯曲实验,探究不同含量的石墨烯对石墨烯增强铝基复合材料的增韧机制的影响。通常,用断裂韧性值(KIC)表征裂纹扩展所受阻碍作用的大小。实验发现,提高复合材料中石墨烯的含量可以使基体中石墨烯由非连续性增强体逐渐转化至连续增强体。同时,随着石墨烯含量的增加,实验测得的断裂韧性值不断增加,表明石墨烯含量增加对裂纹扩展的阻碍作用增强。此外,通过扫描电镜(SEM)观测试样表面裂纹扩展路径可知,石墨烯含量增加,表面裂纹扩展路径越曲折。经过进一步透射电镜(TEM)试验分析,表明复合材料的断裂过程不仅包含穿层断裂,同时也发生了明显的沿层间断裂现象。本文通过对石墨烯增强铝基纳米叠层复合材料的韧化机制的研究,证明了这种纳米叠层仿生复合构型和良好结合的增强体/基体界面可以充分发挥增强体本征力学性能,并通过增加石墨烯含量或将石墨烯沿垂直于裂纹扩展方向排布,可以高效提高复合材料的韧性。本研究显示了复合材料的结构设计和调控对综合提高MMCs力学性能的重要意义,所采用的研究方法可直接应用于其他具有非均匀复合构型的复合材料,进而准确揭示其性能响应机理,阐明其构-效关系,为复合材料构型的优化设计和力学性能的精确调控提供途径与方法。