石墨烯具有高强度、高导热导电性、化学稳定性及大的比表面积,将其用于增强金属材料可以显著地改善其强韧性和摩擦磨损性能。然而,石墨烯纳米片在金属复合材料制备与加工过程中存在团聚、石墨烯纳米片与金属基体之间存在结合差、强化效果低等问题,这制约了在石墨烯/镍基复合材料领域的广泛应用。本文从石墨烯/镍复合材料的制备工艺入手,分别通过电化学沉积法和原位生长法制备石墨烯/镍复合材料或者石墨烯/镍复合材料粉体,探究两种工艺在制备石墨烯分散性良好、界面结合强度高以及综合性能优异的石墨烯/镍复合材料的可行性和有效性,揭示了复合材料性能提升的微观机制及其组织的形成机理。主要工作内容如下:(1)以分散性化学还原氧化石墨烯为增强相,在常温下利用电化学沉积技术制备了不同石墨烯含量的石墨烯/镍复合材料。研究了石墨烯含量对镍基体组织结构的影响规律,研究了具有不同石墨烯含量的石墨烯/镍复合材料的机械性能和摩擦学性能,探究了石墨烯作用下石墨烯/镍复合材料的摩擦磨损机理。研究发现,少量的石墨烯就能显著改善镍晶粒的结晶形核与生长行为,对金属基体产生显著的晶粒细化效应,从而提高材料的机械强度和耐磨性能。相比较纯镍材料,加入8 m L石墨烯分散液所制备的石墨烯/镍复合材料(碳含量低于0.018%)的摩擦系数和磨损率分别降低了25.6%和27.5%,这与复合材料的晶粒细化效应密切相关。一方面,镍基体晶粒尺寸的降低能够提高材料的表面硬度,减小对磨件的摩擦磨损;另一方面,晶粒尺寸的减小会引入大量晶界,这些缺陷会成为氧原子的扩散通道而加入表面氧化形成氧化镍润滑层,从而降低材料的摩擦系数,减缓材料的磨损。(2)为了从根本上解决石墨烯/镍复合材料制备加工技术中存在的分散性难题,进一步提高石墨烯/镍基体的界面结合强度,提出采用固体碳源在镍金属颗粒表面原位生长石墨烯,然后利用粉末冶金制备复合材料的新思想。探究了在镍颗粒表面原位生长石墨烯的工艺参数和相关微观结构的形成机理。研究在化学气相沉积过程中固体碳源PMMA含量、还原温度对石墨烯层数、结晶性、缺陷和形态等微观结构的影响规律,获得了在镍颗粒表面生长高质量、少层石墨烯的最佳工艺参数,揭示了镍颗粒表面不同结构石墨烯的生长机理。受碳原子溶解-析出速率的影响,PMMA含量和生长温度的增加会在镍颗粒表面依次形成缺陷态不连续石墨烯、连续石墨烯、褶皱石墨烯和石墨烯纳米花等石墨烯纳米结构。其中,低缺陷、少层石墨烯的最佳生长条件分别为1.0 mg/m L和900°C。在原位生长过程中,生长动力学过程和空间限域效应之间的竞争作用导致了不同结构石墨烯的形成。在固体碳源含量较低时,溶解的碳原子数量少,低温下碳原子析出速率低,导致形成缺陷浓度高的不连续少层石墨烯结构;随着固体碳源含量和温度的提高,碳原子溶解和析出量增加,有利于形成低缺陷的少层石墨烯。然而,当碳源含量超过某一临界值时,镍颗粒表面瞬间析出大量的碳原子,但颗粒的表面积有限,会在石墨烯生长过程中产生较大的应力,导致形成褶皱或者花状的石墨烯结构。