石墨烯/金属基复合材料具有优异的力学性能以及良好的功能特性,因而被广泛应用于军事工业、航空航天、微电子技术等领域。然而,石墨烯/金属基复合材料在工程应用中仍未达到预期的性能要求。相关研究证实,通过改善复合材料中石墨烯与金属基体之间的界面结合强度、调节石墨烯的位向与排布方式是优化复合材料整体力学性能的有效途径。阐明石墨烯/金属基复合材料的微观结构与力学性能之间的关系,对于设计具有高强度、高韧性的石墨烯/金属基复合材料具有重要意义。本文建立了多种石墨烯/铝基复合材料的模型,基于分子动力学方法系统研究了在压缩、拉伸、纳米压痕载荷下,石墨烯镍镀层、石墨烯嵌入位向、石墨烯排布方式对石墨烯/铝基复合材料的力学性能和变形机制的影响。主要研究内容如下:石墨烯与金属基体之间结合强度弱,这是改善石墨烯/金属基复合材料力学性能面临的主要挑战。本文通过分子动力学模拟方法研究了层厚度对单轴拉伸、压缩载荷下镀镍石墨烯增强铝基纳米多层膜力学性能的影响。结果表明,镍改性石墨烯是改善石墨烯与金属基体之间载荷传递能力的有效方法。在拉伸载荷下,镀镍石墨烯增强铝基纳米多层膜与层厚度之间的关系存在一个临界值,在该临界层厚度之上,抗拉屈服强度与层厚度之间服从Hall-Petch关系;在该临界层厚度以下,反Hall-Petch关系成立。结果还表明,与纯铝相比,镀镍石墨烯的引入使镀镍石墨烯增强铝基纳米多层膜在压缩载荷下具有明显的塑性应变强化作用,且层厚度越小,强化效果越好。石墨烯凭借优异的力学性能成为改善金属基复合材料力学性能的理想增强体。然而,目前对石墨烯/金属基复合材料在纳米压痕过程中嵌入石墨烯与位错之间的相互作用机制仍不清晰。本文采用分子动力学模拟方法,对90°、45°和0°位向的石墨烯/铝基复合材料进行了纳米压痕模拟。阐明了石墨烯/铝基复合材料在压痕加载和卸载过程中位错的形核及演化规律,揭示了位向对石墨烯与位错作用机制的影响规律,并分析了其对塑性区的影响。结果表明,石墨烯可以有效阻碍位错的运动,并且石墨烯会沿着位错滑移方向发生弹性变形。在纳米压痕过程中,位错与不同位向石墨烯之间的相互作用差异导致塑性区的变化趋势不同。研究发现,在石墨烯/铝基复合材料中,位向不同的石墨烯对位错的阻碍强度和方式不同,且石墨烯位向为45°的复合材料的硬度高于其他模型。此外,石墨烯/铝基复合材料的位错线总长度的演化规律与石墨烯位向紧密相关。提高石墨烯/金属基复合材料力学性能的一种重要而有效的方法是改变石墨烯在金属基体中的排布方式。本文采用分子动力学模拟方法系统研究了在纳米压痕下,石墨烯嵌入方式对石墨烯/铝基复合材料的变形行为和力学性能的影响。研究发现,石墨烯可以有效阻碍位错运动,并且这种阻碍作用与石墨烯的嵌入深度和石墨烯之间的横向间隙有关。石墨烯距离表面的高度存在一个临界值,在该临界值以上复合材料的硬度值随石墨烯到表面的距离减小而增大,在该临界值以下复合材料的硬度值随石墨烯到表面的距离减小而减小。复合材料硬度随石墨烯嵌入深度的变化趋势与复合材料塑性变形过程中的平均位错密度有关。结果还表明,随着石墨烯片间横向间隙的增大,复合材料的硬度降低。此外,横向间隙也存在一个临界值,超过该临界值,复合材料的硬度急剧下降。