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铜铝层状复合材料是将铜的“低电阻、高热导率”与铝的“质轻、价廉”等优点进行有机结合,实现性能和成本双优化的一种材料。在交通运输、通迅电力、航空航天及国防科技等领域均有广阔的应用前景。基于我国“缺铜、富铝”的供求现状,采取“以铝代铜”思路,开展铜铝层状复合材料制备工艺、复合机理理论等基础研究,不仅对优化我国铜、铝资源的分配、推动有色金属行业的产业结构调整和转型有积极意义,对于全球的有色金属工业发展,也是一种具有“节能环保”和“可持续性发展”理念的典范性举措。铸轧复合法结合了铸造复合的高温和轧制复合的压力,制备过程高效节能,适用于大规模连续生产大尺寸铜铝层状复合板。铜铝层状复合板界面处金属化合物种类及其层厚等因素,直接影响界面结合强度及复合板的应用性能,是生产和加工过程中关注的关键问题。因此,探明界面原子扩散规律、扩散层生长与工艺条件之间的关系成为研究的热点。本学位论文采用分子动力学方法,设计了Cu/Al固液界面模型,针对水平双辊铸轧法制备铜铝层状复合板的过程进行了模拟。阐述了Cu、Al原子扩散深度与Cu表面结构特征之间的关系,拟合了扩散层厚度与扩散温度、外加压强及扩散时间之间关系的数学表达式,分析了凝固过程中液态区结晶模式及扩散层物质组成。针对Cu/Al层状复合板模型的界面法向拉伸过程进行了模拟,并与Cu、Al和θ-Al2Cu单晶模型的拉伸性能做了比较。分析了裂纹出现的位置及扩展方向,归纳了界面法向拉伸性能与Cu、Al和θ-Al2Cu的拉伸性能之间的关联。研究内容和主要结论如下:首先,以Cu的（001）、（111）和（110）三个低指数理想晶面作为铜基体表面,与液态铝结合构成Cu/Al固液界面模型,针对界面原子扩散进行模拟得到Cu/Al层状复合板模型。扩散结果表明:Cu原子的扩散深度明显大于Al原子,扩散层主要由Cu原子在Al侧的扩散形成。是由于Al液中原子排列无序,金属键能较小,Cu原子在其中扩散的势垒较低;与此相反,半径相对略大的Al原子在固态的Cu侧扩散,不论空位扩散还是置换扩散,均处于劣势竞争地位。Cu/Al层状复合板模型中扩散层厚度大小依次为:Cu（110）/Al、Cu（001）/Al及Cu（111）/Al模型,次序与三个晶面的结合能大小次序相反。是由于晶面结合能越大原子越难以脱离表面束缚参与扩散。通过对凝固过程结晶模式的分析发现,从紧挨铜基体的液态区开始以BCC和FCC结构结晶并向Al侧扩展,随着温度的下降最终转变为FCC的结构。Cu（110）/Al模型的凝固点比Cu（001）/Al和Cu（111）/Al模型低了约40K,是由于该模型中Cu原子在Al液中的浓度比例比前二者大,更大程度降低了 Cu-Al固溶体的凝固点。其次,以三个理想表面模型中扩散最快的Cu（110）/Al固液界面模型为研究对象,在温度、压强、时间范围分别为800～950 K、1～7 bar、0～2 ns范围内,系统地模拟了界面原子的扩散。结果表明:Cu原子的扩散深度和扩散层厚度,随扩散温度呈线性增加趋势,其数学表达式为d=kdT*T,相应的kdT值分别为0.45 A/K和0.51 A/K;Al原子的扩散深度与温度符合Arrhenius公式;Cu、Al原子的扩散深度均随压强呈线性递减趋势;与时间符合抛物线关系。通过对不同压强下凝固过程的分析发现,凝固点随压强呈线性递增关系,其表达式为:Tn=702+20p。在较低压强（1～5 bar）和较高温度（850～950 K）条件下,界面处生成了θ-Al2Cu;扩散层主要由三种物质组成,自下而上分别为Al-Cu固溶体、θ-Al2Cu和Cu-Al固溶体。然后,通过在Cu基体（001）晶面的表面处,设计不同位向角的对称倾斜晶界,与液态铝接触构成Cu/Al固液界面模型。针对界面原子扩散进行模拟得到Cu/Al层状复合板模型。通过对晶界迁移的观察发现,在位向角最小的GB1模型中,由于晶界面上的空位很快被Cu、Al原子填充导致晶界消失;而在位向角较大的模型中,随着原子向空位处扩散晶界面逐渐迁移并发生扭转,越过初始界面迁移到扩散层中,最终在扩散层形成平行于界面的晶界。新形成晶界位向角大小随Cu基体中晶界位向角的增大而增大,即产生了晶界的遗传效应。扩散层厚度随晶界位向角的增大先增大后减小,与位向角带来的表面能大小的规律一致。最后,通过对单晶Cu、Al和θ-Al2Cu进行多方位拉伸的模拟结果表明:单晶Cu各晶向的拉伸模量、弹性极限、抗拉强度和延伸率均大于单晶Al相应参数;Cu、Al各晶向的拉伸模量大小次序为:＜111＞、＜110＞、＜100＞,弹性极限、抗拉强度和延伸率大小次序与之相反;验证了单晶Cu、Al材料的拉伸性能具有各向异性。单晶θ-Al2Cu沿[001]和[100]晶向的拉伸模量、抗拉强度均介于Cu、Al之间,拉伸模量接近于Cu,抗拉强度接近于Al,弹性极限、延伸率都小于Al。,对Cu/Al层状复合板模型沿界面法向拉伸的模拟结果表明:各Cu/Al层状复合板模型均在纯Al区发生断裂,说明Al区在整个模型中的结合力最弱。其中,理想表面Cu/Al层状复合板模型拉伸模量接近于Cu,弹性极限接近于Al;抗拉强度的大小次序是Cu（110）/Al、Cu（111）/Al和Cu（001）/Al,数值接近于Al;延伸率与θ-Al2Cu接近。晶界表面Cu/Al复合板模型拉伸模量随着晶界位向差的增大而增大;弹性极限、抗拉强度及延伸率均随着晶界位向差的增大先减小后增大;抗拉强度和延伸率均接近于θ-Al2Cu。采用控制施力端位置,对Cu（110）/Al层状复合板模型的拉伸结果表明,依此在Al区、Cu-Al固溶区与θ-Al2Cu层的交界处及θ-Al2Cu层断裂;在Al区、Cu-Al固溶区与θ-Al2Cu层的交界处的断裂均属于脆性断裂,在θ-Al2Cu层断裂表现出一定的韧性。本学位论文为铸轧法制备金属复合板模拟研究,作了一些尝试,提供了一些思路;运用分子动力学方法,从原子尺度对界面扩散、界面组织形成及界面力学性能的进行了研究,为铜铝复合板的生产和应用,提供了一定的理论依据和技术支持。