钼铜复合材料作为一种假合金材料,兼具了钼(Mo)和铜(Cu)两种金属的性能优点,具有广泛的应用前景,但两种材料之间的性能差异导致难以实现高致密度钼铜复合材料的制备。锆(Zr)及其合金高温稳定性好,常用于多元合金体系中。近年来,纳米碳增强金属基复合材料凭借优异的性能受到科研工作者们的青睐,并取得了丰富的研究成果。鉴于此,本文采用球磨、冷等静压和微波烧结的方法,设计了60Mo30Cu10Zr、55Mo30Cu15Zr和50Mo30Cu20Zr三个体系的Mo-Cu-Zr三元复合材料基体,并分别添加碳纳米管(CNTs)、石墨烯(GNPs)、碳纳米管-石墨烯(CNTs-GNPs)作为增强相,制备了不同成分的纳米碳增强Mo-Cu-Zr三元复合材料。研究了Zr含量和纳米碳含量对复合材料组织和性能的影响,探讨了其致密化机理、断裂机理和增强机理,可为多相增强、多组元复合材料的设计和制备提供一定的参考价值和理论意义。采用有机酸水溶液超声处理对碳纳米管和石墨烯进行表面改性;然后将改性后的碳纳米管、石墨烯、Mo粉、Cu粉和Zr粉按设计的复合材料配方进行球磨混料,经冷冻干燥后获得复合粉体;先模压成形,再在冷等静压致密化处理后进行微波烧结,制备得到纳米碳增强Mo-Cu-Zr复合材料。利用X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)观察分析复合材料的物相组成和显微结构,并对材料的致密度、硬度和压缩性能进行测试,分析成分对复合材料微观结构和宏观性能的影响,建立结构与性能的关系模型。结果表明:本文所制备的Mo-Cu-Zr复合材料结构均匀,Mo以球形单质颗粒相均匀分布,Cu和Zr则以固溶体基体和弥散分布的(Cu,Zr)化合物纳米颗粒的形式存在,碳纳米管和石墨烯则随机分散在复合材料中。复合材料体系的性能随着Zr含量的增加而提高,50Mo30Cu20Zr复合材料体系的致密度和力学性能优于其它体系,其致密度、硬度和抗压强度分别为97.63%、314.37 HV和805.93MPa,比采用相同方法制备的70Mo30Cu复合材料分别提高了10.8%、275.2%和74.4%。碳纳米管-石墨烯协同增强效果优于单独碳纳米管或单独石墨烯的增强效果,其中0.8 wt.%CNTs-0.2 wt.%GNPs增强50Mo30Cu20Zr复合材料具有最佳性能,其致密度、硬度和抗压强度分别为99.65%、343.64 HV和953.54 MPa,比70Mo30Cu复合材料分别提高了12.8%、310.2%和106.3%。纳米碳增强Mo-Cu-Zr复合材料的致密化主要依赖于Zr元素与Cu相互作用,在烧结过程中形成液相,增强烧结材料的流动性,加快颗粒重排和孔隙填充的速率;同时Zr元素还可以降低Mo的烧结活化能,促进Mo颗粒的球化和生长,从而加快复合材料的致密化效率。复合材料中的增强机理主要有固溶强化、弥散强化、细晶强化和载荷转移。碳纳米管和石墨烯协同作用可以改善其分散性,而石墨烯表面原位生成的Zr C颗粒和Mo颗粒表面镶嵌的颗粒相可以钉扎界面,提高载荷转移效率。