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碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)具有优异的力学性能和独特的纳米纤维形貌,是金属基复合材料(Metal matrix composites,MMCs)中最具潜力的新型增强体之一。但是,CNTs的分散过程既容易引入微结构缺陷,促使局部裂纹产生,又会细化基体晶粒至纳米/亚微米尺寸,降低基体本征塑性,从而使CNTs增强MMCs强塑性失配。对微结构的合理调控是实现CNTs增强MMCs强塑性平衡的必要条件。本论文以CNT/Al复合材料为研究对象,对复合制备工艺进行改进,探索了影响其强度和塑性的关键机理,最终通过微结构的调控实现了强塑性的平衡。为解决微结构缺陷造成的塑性损失,通过“变速球磨”工艺设计,实现了CNTs分散均匀、CNTs晶体结构完整、CNT-Al界面结合紧密的调控目标;为缓解Al晶粒纳米/亚微米化造成的塑性损失,通过热挤压加工调控“单向排列CNTs-Al长条晶粒”微结构,改善基体位错储存能力;在此基础上研究了CNTs对CNT/Al复合材料应变硬化行为和强塑性关系的影响机制,分析了微结构因素对强塑性关系的影响规律;最后将该研究结果应用于CNT增强Al-Zn-Mg-Cu合金复合材料,实现了高强度与良好塑性的均衡匹配。本文主要研究内容和结论如下:(1)CNT/Al粉末的“变速球磨”工艺:常规球磨工艺采用单一转速,难以同时实现CNTs均匀分散、晶体结构完整和CNT/Al界面紧密结合。本文提出“变速球磨”工艺设计:先利用低速球磨的剪切力和弱冲击力,在纯Al粉缓慢片化过程中将CNTs均匀分散于其表面;随后利用高速球磨的强冲击力,将CNT/Al片状粉末冷焊成层状结构粉末,促进界面结合,CNTs嵌入粉末内部;长时间低速球磨和短时间高速球磨相较传统高能球磨工艺可显著减轻对CNTs晶体结构的破坏。“变速球磨”工艺理念兼顾了CNTs的均匀分散和晶体结构保护,并强化了CNT/Al界面结合,最终显著改善了CNT/Al复合材料中强度和塑性的平衡。(2)CNT/Al复合材料的微结构特征和强塑性关系:CNTs的分散工艺和对Al晶界的钉扎使Al基体形成纳米/亚微米晶组织,导致Al基体位错储存能力和塑性的降低。本文提出通过CNTs的单向排列协调形成Al长条晶粒,提高Al基体的位错储存和塑性变形能力。结合TEM自动取向面扫描等先进技术表征,通过热挤压加工,调控变速球磨CNT/Al复合材料形成“单向排列CNTs-Al长条晶粒”微结构。相比具有亚微米等轴晶粒结构的CNT/Al复合材料的强塑性倒置现象,本文所制备的具有“单向排列CNTs-Al长条晶粒”微结构的CNT/Al复合材料可在提高强度的同时保持与Al基体相当的均匀延伸率。(3)CNT/Al复合材料的应变硬化行为和强塑性的调控机理:通过应变硬化行为测试、位错行为表征、力学模型分析,本文发现单向排列CNTs和Al长条晶粒的界面与可动位错发生交互作用,可引入背应力,产生随动硬化效应,进而提高了CNT/Al复合材料的应变硬化能力,在提高强度的同时保持良好的均匀延伸率。在此基础上,通过改进Kocks-Mecking模型、Brown-Clarke模型等力学模型,定量分析了微结构因素对CNT/Al复合材料随动硬化效应的影响和对强塑性的调控作用,揭示了“单向排列CNTs-Al长条晶粒-晶内纳米相”微结构平衡强塑性的位错机制和力学机制。(4)CNT/Al-Zn-Mg-Cu复合材料的微结构调控与强塑性:由于高强度Al合金粉末变形能力不足、在球磨过程中发生破碎,无法通过变速球磨制备具有“单向排列CNTs-Al长条晶粒”微结构的CNT/Al合金复合材料,CNTs随机取向、Al晶粒位错储存能力较低,塑性损失严重。为解决该问题,本文基于粉末力学性质对微结构演化的影响规律,以CNT/Al-Zn-Mg-Cu复合材料为研究对象,提出采用变形能力强的Al、Zn、Mg、Cu单质粉末与CNTs复合的“元素合金化”思路,通过变速球磨获得层状结构粉末,通过烧结中的热扩散实现基体的合金化,进而通过热挤压加工和固溶-时效热处理制备具有“单向排列CNTs-Al长条晶粒-晶内纳米析出相”微结构的CNT/Al-Zn-Mg-Cu复合材料,实现了高模量、高强度、良好塑性的均衡匹配,为CNTs与高强Al合金的可控复合提供了制备技术途径。综上所述,本文通过“变速球磨”复合理念和“单向排列CNTs-Al长条晶粒”微结构调控思路,有效地改善了CNT/Al复合材料的强塑性失配问题,为高性能纳米增强MMCs提供了新的研究思路。