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石墨烯增强金属基纳米复合材料具有优异的综合性能,应用前景广阔,但其研究仍处于起步阶段,在形成规模应用之前仍存在许多问题需要解决。使石墨烯在基体中更均匀分散、提高石墨烯与基体间的界面结合并减小其结构损伤是石墨烯增强金属基复合材料发展的关键。另外,石墨烯具有各向异性,可通过使其定向排列于基体之中进一步提高复合材料在某一方向上的综合性能。本文分别通过半粉末（Semi-powder）法和分子水平混合（MLM）法制备石墨烯/铜复合材料,研究了化学表面改性对石墨烯纳米片（GNPs）分散及两相界面的影响,探讨了不同种类的石墨烯材料（GNPs、镀镍石墨烯纳米片Ni-GNPs、还原氧化石墨烯RGO）对复合材料显微组织与结构、力学性能以及强化机制的影响,并对复合材料的界面进行了系统研究。此外,初步尝试外加磁场法使Ni-GNPs在Cu基体中形成定向排列,研究了该定向增强复合材料的微观组织及性能。主要结果如下:1.利用半粉末法制备GNPs/Cu和改性GNPs/Cu复合材料,直接添加GNPs时片层之间易直接接触而吸附团聚,且两相界面处存在明显的孔洞和裂纹。改性后,表面Cu或Ni颗粒作为阻隔物,可防止GNPs层片直接接触,抑制其团聚,提高了GNPs分散均匀程度,并改善了两相界面结合。在01.0 vol.%的范围内,复合材料的强度随GNPs含量的增加不断减小,随改性GNPs的增多先增大后减小。Cu-GNPs/Cu和Ni-GNPs/Cu复合材料的抗拉强度分别在含量为0.5和0.7 vol.%时达到最大值,为258和286 MPa,高于相同含量的GNPs/Cu复合材料。Cu-GNPs和Ni-GNPs在基体Cu中以热错配和载荷传递强化为主,细晶强化为辅。2.MLM法制备的复合材料中,不同种类的石墨烯材料均与Cu基体结合良好。GNPs和Ni-GNPs在<0.5 vol.%时能够较均匀地分散于基体晶界或晶粒内部,含量提高后出现明显的团聚现象,RGO含量在01.0 vol.%之间均可均匀分散。低含量时GNPs和Ni-GNPs对基体Cu起到的强化效果优于RGO,随着含量增加GNPs类材料的强化作用降低,至0.5 vol.%左右开始弱于RGO。含量低时,均匀分散的GNPs以热错配和载荷传递强化为主;GNPs发生团聚后,强化效果低于以Orowan和载荷传递机制为主的RGO。3.不同预还原RGO材料对Cu基体的强化效果呈现差异性:RGOHCl和RGONaOH提高材料强度的同时还提高了其伸长率,而RGON2H6O仅大幅提高强度。分析认为,RGOHCl和RGONaOH表面均具有许多褶皱和环氧基C-O-C,当具有良好的界面结合时,基体受力变形,载荷将由基体向石墨烯传递,褶皱铺展,C-O-C弯曲,对复合材料产生额外的屈服效应,提高了伸长率。而RGON2H6O碎片多,褶皱少,无C-O-C,在显著提高强度的同时降低了伸长率。4.指出了石墨烯增强复合材料中存在石墨烯平面（Dp）和石墨烯边缘（De）与基体结合的两个方向上的界面。MLM法制备的复合材料中的Dp和De方向上,GNPs/Cu复合材料界面分别为机械结合和冶金结合;Ni-GNPs/Cu复合材料界面则分别为浸润结合和浸润/扩散的化学结合;不同RGO/Cu复合材料中均为冶金结合/氧中间键结合的混合型界面。5.初步实现了Ni-GNPs在基体Cu中的定向排列,一定程度上提高了复合材料的强度。定向处理的Ni-GNPs/Cu复合材料同时还具有较好的导电导热性能,Ni-GNPs含量为0.2 vol.%时,复合材料导电率E∥约111.08%IACS,热导率T∥约370.31 W/m?k,分别比纯Cu提高了23.08%和19.85%,对应的抗拉强度提高了约8.84%。但Ni-GNPs含量提高后发生了部分团聚,强化效果下降,导致定向Ni-GNPs/Cu复合材料的抗拉强度降低。