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铝基复合材料具有高比强度、比模量及优异的导电导热等性能,广泛应用于航空、航天及交通运输等领域。以碳纳米管（CNT）和石墨烯（GN）为代表的碳纳米相（Carbon Nanophases,CNP）因具备优异的力学和物理性能而成为铝基复合材料理想的增强体。但是采用传统外加法制备CNP增强铝基复合材料存在易团聚,界面不浸润、形成脆性相等问题,不利于CNP性能的发挥。因此,研发新的CNP/Al复合材料制备方法,实现CNP在铝基体中有良好分散和界面结合,是获得高性能铝基复合材料面临的挑战。本文采用化学气相沉积-粉末冶金的方法,分别在铝基体上原位合成制备了以一维CNT和二维碳纳米片（CNS）为增强体的铝基复合材料;在此基础上,以三维网络状石墨烯纳米片（GNS）为增强体,并引入金属或陶瓷纳米颗粒（NP）对其进行修饰与改性,制备了GNS负载NP增强的铝基复合材料（NP@GNS/Al）;研究了不同种类CNP增强铝基复合材料的微观组织、力学性能、界面结合状态及强化机制等。主要研究内容和结果如下:（1）采用化学气相沉积的方法,以Ni为催化剂、乙炔为碳源,在铝粉表面原位合成了一维CNT,并通过粉末冶金法制备了CNT/Al复合材料。研究了催化剂含量、合成温度等对CNT形成形貌和结构的影响,以及CNT/Al复合材料的组织和力学性能。结果表明:用1wt.%Ni催化剂在600°C下可以在铝粉上合成均匀分散、结晶性好、纯度高的CNT。复合材料的抗拉强度随CNT含量的增加先增加后降低,当CNT含量为1.5 vol%时,抗拉强度达191 MPa,与纯铝相比,增强效率为75%。（2）采用化学气相沉积的方法,以蔗糖为碳源,通过高温热解在铝粉表面原位合成了二维CNS,并通过粉末冶金法制备了CNS/Al复合材料。研究了合成温度、反应时间等对CNS形成形貌与结构的影响,以及CNS/Al复合材料的组织和力学性能。结果表明:在600°C反应60 min时可以在铝粉上合成石墨化程度高的CNS,复合材料的压缩强度和抗拉强度均随CNS含量的增加先增加后降低,当CNS含量为1.5 vol%时,材料压缩屈服强度为150 MPa,是纯铝的1.5倍,高于同体积分数下CNT的压缩屈服强度。研究还发现,在退火过程中会在铝-碳界面上形成Al4C3相,其数量随温度和时间的增加而升高。当退火温度为600°C,时间为30 min时,材料的抗拉强度为245 MPa,与纯铝相比,增强效率为93%。（3）以三维网络状GNS为增强体,通过引入Ni、Cu和Al2O3纳米颗粒对其进行修饰与改性,制备了GNS负载NP增强的铝基复合材料（NP@GNS/Al）。研究了催化剂与碳源的种类和含量、合成温度等对NP@GNS形成形貌和结构的影响,以及NP@GNS/Al复合材料的组织和力学性能。结果表明:分别以Ni和Cu为催化剂,以环氧树脂和甲烷为碳源,600°C时可以在铝粉基体上合成Ni@GNS和Cu@GNS;以Na Cl为模板,以Al2O3催化固态碳源,在700°C时可以合成Al2O3@GNS增强体。该增强体结构稳定、结晶性良好。NP改善了铝-碳界面浸润,增加了界面结合强度,力学性能显著提高。含1.0 vol%-Ni@GNS、1.5 vol%-Cu@GNS和1.0 vol%-Al2O3@GNS的复合材料的抗拉强度分别达266MPa、315 MPa和359 MPa。（4）对采用化学气相沉积-粉末冶金的方法原位制备的CNP/Al复合材料,通过实验并结合第一性原理计算,研究了CNP和NP修饰的CNP对铝基复合材料的界面结构及力学性能的影响。结果表明:铝-碳界面上形成Al4C3及Ni、Cu和Al2O3的引入均能增加界面的黏附功,提高界面结合强度,有利于复合材料性能的提升。CNT/Al和CNS/Al复合材料的强化源于CNP和Al4C3导致的载荷传递、位错强化及细晶强化;而NP@GNS/Al的增强除了GNS引起的载荷传递和位错强化外,还得益于NP与GNS的协同强化。