本论文研究基于废弃的锆钛矿尾砂研究与开发出一种新型的混杂颗粒增强铝基复合材料。废弃的锆钛矿尾砂的主要相组成为SiO2,并含有少量的硅酸铝颗粒。采用搅拌铸造法将两者混合,制备得颗粒分散均匀、力学性能优异的Al2O3/SiO2(p)/Al复合材料。复合材料组织中存在被Al2O3过渡层包裹的SiO2复相增强体、弥散分布的Al2O3颗粒、分布于α-Al相的晶界上的Si相及少量的硅酸铝颗粒。复相增强颗粒的存在证明,锆钛矿尾砂中的SiO2可与700℃的Al熔体产生原位反应,并在基体中SiO2颗粒外层生成Al2O3过渡层。为得知搅拌工艺参数对颗粒在复合材料中分散均匀程度的影响,对不同搅拌工艺参数制备所得的复合材料进行组织观测,并对颗粒在金相视场中分散均匀程度进行了量化。首先探索了尾砂颗粒添加量和尾砂颗粒中位粒径对复合材料基体中颗粒的分散均匀性影响,结果显示中位粒径较小的颗粒在熔体中较难被均匀分散,在熔体中加入同种中位粒径的颗粒,其分散均匀度随颗粒添加量的上升而降低。基于制备所得颗粒增强铝基复合材料的微观组织观测,探索了不同的颗粒预处理(焙烧)工艺、熔体搅拌温度、熔体搅拌转速、搅拌持续时间及颗粒喂入熔体的速率等关键工艺参数对材料显微组织、颗粒分散均匀性的影响,进而得到最优的搅拌工艺参数:700℃×1h的颗粒预处理工艺、700℃的熔体搅拌温度、500 rpm的熔体搅拌转速、10 min搅拌持续时间及10 g/min的喂砂速率。为得知不同搅拌转速对复合材料熔体流场的影响,本研究基于计算流体力学方法预测了Al熔体空间中的流场分布。模拟结果表明,搅拌转速越大,熔体液面的流速越快。同时,采用计算流体力学方法辅助解释了颗粒喂料速率的差异对颗粒在熔体中分散过程的影响机制。为了解SiO2颗粒的添加量和SiO2-Al反应时间对复合材料组织的影响,采用熔体热分析法研究了纯铝和复合材料熔体的凝固特性。随SiO2颗粒在熔体中添加量的上升,复合材料熔体的凝固温度下降、Al-Si共晶平台持续时间延长。复合材料熔体的冷却速率、α-Al形核点(TN)、凝固持续时间、凝固固相分数等亦随SiO2颗粒在熔体中添加量的变化而发生改变。同时,熔体冷却曲线表明,随SiO2-Al反应时间的延长,该熔体的凝固点降低、Al-Si共晶平台持续时间延长、熔体凝固过程中放出的潜热值上升,但是,AlSi共晶平台持续时间延长而产生的变化并不明显,该结果说明SiO2-Al原位反应进行至一定时间后将趋近反应的极限状态。为更直观地揭示SiO2颗粒在Al熔体中的消耗规律,采用石英棒(与锆钛矿尾砂中SiO2颗粒的晶体类型一致)浸入纯Al熔体的方式进行研究。将反应了不同时间后的石英棒取出并进行组织观测,研究SiO2/Al界面上Al2O3反应过渡层的厚度变化规律,基于Ginstling经验公式,导出了特定直径下石英棒的表观反应-扩散系数(K)。计算结果表明,石英棒直径越大,K值亦越大,石英棒被铝熔体消耗得越快,同时,预测了粒径为185μm的SiO2颗粒在700℃的Al熔体中的原位反应规律。对不同加入量和不同粒径的尾砂颗粒制备所得的复合材料进行布氏硬度、抗拉性能测试。结果表明,复合材料的硬度随颗粒含量上升而持续递增。采用中位粒径为185μm的颗粒制备所得复合材料的屈服强度、弹性模量、抗拉强度及延伸率等指标较佳。对经不同搅拌持续时间制备的复合材料进行力学性能研究,发现较长搅拌持续时间下制备的复合材料具有较高的硬度、弹性模量和屈服强度,但其延伸率值随搅拌持续时间延长而降低。较长的搅拌持续时间有助于Si O2颗粒与Al熔体进行更充分的反应,反应产物Al2O3的增加对复合材料的强度和硬化能力的提升有显著的作用。复合材料断口分析表明,颗粒在基体中的团聚将显著地影响其强度、延伸率和硬化指数。