石墨烯是金属基复合材料的理想增强体,因具有优异的力学、电学和热学等性能而被广泛地应用于铝基复合材料。然而,石墨烯和基体之间的界面问题、石墨烯在铝基体中的分散问题、以及石墨烯的制备问题影响着石墨烯增强铝基复合材料的性能提高及应用。现有方法制备的石墨烯增强铝基复合材料的性能和理论值相比仍有较大差距,且存在强韧倒置的关系,因此,寻求新的制备技术以克服现有方法的不足是发展石墨烯增强铝基复合材料的关键。本论文首先采用喷雾干燥技术和化学沉积工艺相结合的方法大量合成了负载金属颗粒的石墨烯纳米片（MPGNPs）,在此基础上利用粉末冶金法制备了石墨烯纳米片（GNPs）增强的铝基和铝铜合金基复合材料。系统研究了制备工艺、复合材料的微观结构和力学性能三者之间的关系,探讨了复合材料的强韧化机制及断裂机理,为制备高性能的石墨烯增强铝基复合材料提供理论依据和实现途径。采用喷雾干燥和化学沉积工艺相结合的方法合成了负载镍纳米颗粒的石墨烯纳米片（Ni-GNPs）和负载铜纳米颗粒的石墨烯纳米片（Cu-GNPs）,利用粉末冶金法制备了Ni-GNPs/Al和Cu-GNPs/Al两种复合材料,对比研究了GNPs表面负载的金属种类对复合材料界面和力学性能的影响。结果表明:GNPs表面负载的金属颗粒能改善GNPs的分散性,并抑制或延缓GNPs和铝基体之间的界面反应;GNPs表面负载的Ni元素在GNPs和基体界面处形成了Al3Ni颗粒/层,提高了GNPs和铝基体之间的界面结合及塞积位错的能力,进而促使Ni-GNPs/Al复合材料展现出良好的塑性;GNPs表面负载的Cu元素则扩散到GNPs和铝的界面附近形成铝铜固溶体,这对GNPs-Al界面结合影响较小,但由于Cu元素的固溶强化,Cu-GNPs/Al复合材料表现出更高的强度。采用新的球磨策略-分段球磨法制备了Cu-GNPs/Al复合粉末,随后利用冷压-烧结-热挤压工艺制备了Cu-GNPs/Al复合材料。系统研究了球磨转速和球磨温度对复合材料微观结构和力学性能的影响。结果表明:在球磨初期,Cu-GNPs主要分布于铝粉表面,因此Cu-GNPs的分散性和球磨后铝粉的表面积成正相关,高转速球磨能提高铝粉的表面积从而有利于Cu-GNPs在基体中的分散;低温球磨能加速球磨进程,使复合粉末发生冷焊,进而促进Cu-GNPs在基体中的分散;分段球磨法能将Cu-GNPs在铝基体中的最大分散量提高到3.5 wt.%,此时Cu-GNPs/Al复合材料的屈服强度达418 MPa,抗拉强度达480 MPa,延伸率为9.4%,分别是纯铝的250%、240%和48%。系统研究了Cu-GNPs的加入对复合材料微观结构和力学性能的影响,探讨了复合材料的强韧化机制。结果表明:Cu-GNPs能加速球磨进程,促进粉末的冷焊,细化粉末尺寸和晶粒尺寸;Cu-GNPs可促进基体的再结晶,弱化热挤压形成的丝织构;Cu-GNPs能钉扎晶界迁移和转动,同时也能阻碍位错运动,有效塞积位错;Cu-GNPs/Al复合材料的主要增强机制包括由GNPs和铝基体的热膨胀系数差异引发的热错配强化、由GNPs对位错阻碍引发的Orowan强化和由GNPs承载引发的载荷传递强化,细晶强化和固溶强化也发挥着一定作用;由于GNPs和铝基体的界面对位错的塞积引发的复合材料应变硬化能力的提高是复合材料韧化的主要机制。利用分段球磨工艺制备了GNPs/Al-Cu复合材料,系统研究了不同热处理状态的复合材料的微观组织结构和力学性能之间的关系。结果表明:Cu-GNPs对Al-Cu合金的影响和其对纯铝的影响相似;GNPs的加入会加速Al-Cu合金的时效析出,使GNPs/Al-Cu复合材料的峰时效提前;析出相的强化机制和GNPs的强化机制存在相互影响,致使GNPs/Al-Cu复合材料时效后的强度提升不明显;经工艺优化后,固溶态的GNPs含量为2.1 wt.%的GNPs/Al-Cu复合材料有着最佳的综合性能:屈服强度为482 MPa,抗拉强度为615 MPa,延伸率约为9%,分别为固溶态Al-Cu合金的180%、143%和54%。