作为航空航天、新能源汽车等领域电接触部位的关键材料,石墨烯铜基复合材料的研究是目前科研工作者的研究热点之一。但实际制备及应用过程中仍然存在石墨烯难以有效分散与铜碳界面结合差的难题,且国内外对于石墨烯铜基复合材料强化机制和抗磨机理仍缺乏深入研究,同时对于第一性原理在石墨烯铜基复合材料的应用鲜有研究。为了克服现有石墨烯铜基复合材料因自身缺陷导致材料力学和摩擦学性能无法大幅度提升的问题,本文基于过渡金属与石墨烯较强的亲和力的特点,开展了对过渡金属原子与石墨烯之间的第一性原理计算、过渡金属掺杂石墨烯纳米片铜基复合材料的制备、复合材料性能研究、强化机制及抗磨机理研究,主要研究内容如下:(1)运用第一性原理计算钛(Ti)、钴(Co)、镍(Ni)在石墨烯表面不同吸附位的吸附能及电子结合情况。结果表明,Ti、Co、Ni与石墨烯C原子间吸附作用大小依次为Ti-C>Co-C>Ni-C,钴是三种过渡金属中最为理想的掺杂物。构建了Co掺杂石墨烯铜基复合材料的界面模型,并对界面处电子态密度进行计算。结果表明,Co掺杂的复合材料界面原子电子态密度在费米能级附近高于未掺杂石墨烯铜基复合材料界面,从而增强了界面的结合强度。(2)系统对比了不同过渡金属含量掺杂的石墨烯铜基复合材料性能的影响规律。研究发现随着过渡金属含量的增加,电学及热学性能呈下降趋势;复力学及摩擦学性能呈现先升高后下降的趋势,其中0.25%过渡金属添加量、0.2%GNPs添加量复合材料性能最佳。不同过渡金属中Co掺杂复合材料性能表现最为优异,其中Cu+0.2GNPs+0.25Co的维氏硬度为83.9 HV,弹性模量为232.58 GPa,压缩强度为505.66MPa,较纯铜材料分别提高了55.3%、154.3%和37.6%。Cu+0.2GNPs+0.25Co材料摩擦系数为0.192,相比较纯铜的摩擦系数(0.64)显著降低。(3)结合多种表征手段,从材料微观结构、宏观性能等方面深入分析过渡金属掺杂石墨烯铜基复合材料的力学强化机制,并研究了过渡金属掺杂石墨烯铜基复合材料抗磨机理。结果表明,力学性能的提升归因于细晶强化和位错强化;抗磨性能提高归因于过渡金属与石墨烯协同增强,石墨烯层间滑移为复合材料持续提供稳定的石墨烯润滑膜,保持相对稳定的低摩擦系数。