石墨烯具有优异的力学性能、良好的导热、导电性能、较大的比表面积以及轻质等特性,将其与金属材料复合有望获得具有轻质、高强高韧、高导热、高导电和耐磨等优点的石墨烯/金属基复合材料。即石墨烯作为功能体可赋予金属材料一些其本身不具备的物理性质,使石墨烯/金属基复合材料具有多样的功能特征而在航空航天、机械装备、电子和电力等领域具有广阔的应用前景。然而,石墨烯/金属基复合材料的力学性能仍没有达到理想效果,尤其在复杂的服役环境条件下,复合材料的稳定性差,损伤容限较低。这主要与石墨烯的浓度、分散程度、尺寸分布、石墨烯与金属间的相互作用有关。从目前的研究进展来看,制约石墨烯/金属基复合材料力学性能提升的主要原因是石墨烯自身团聚和石墨烯与金属界面结合能力较弱。尤其需要指出的是,与常用陶瓷增强相相比,石墨烯结构的特殊性使得其作为增强相与金属构建的界面结构更复杂,在复合材料变形过程中位错与界面的相互作用也极为特别。所以,要想有效改善石墨烯/金属基复合材料的力学性能,深化对石墨烯和金属基体之间界面结构的认识显得至关重要。石墨烯/金属基复合材料中,通常石墨烯的添加量很低（很微量的石墨烯即可起到积极作用）,且石墨烯普遍具有尺寸小的特点,依靠现有的实验表征手段很难直观地了解金属与石墨烯间界面的相互作用,尤其难以揭示形变过程中界面区域的微观作用机制。第一性原理可以从纳观、微观、介观和宏观的角度对材料进行多层次研究,模拟材料在不同的服役条件下的性能演变规律、失效机理实现材料性能的改善和设计。因此,本论文拟采用第一性原理揭示石墨烯与金属之间的界面结构,探索变形过程中石墨烯/金属界面结构特征的变化。论文中构建石墨烯/金属基材料的界面理论模型,从原子层次探讨石墨烯和金属间的界面特性,阐述异质原子镍、钛、锰、铝和硅及石墨烯的缺陷状态对石墨烯/金属基界面结合能力的影响规律,探讨复合材料的变形机理。主要的研究内容如下:（1）构建石墨烯/铜的界面模型,研究不同的加载方向对界面结合特性的影响,发现平行于石墨烯二维平面方向拉伸可以充分发挥石墨烯的强度优势。然而,石墨烯和基体铜的变形能力不同,变形行为存在不一致性。如果在垂直于石墨烯方向拉伸,石墨烯和铜基体之间有限的结合能力将导致裂纹在界面处快速萌生扩展,界面结合能力的增强是体系整体力学性能提高的关键性因素之一。（2）计算研究异质原子的种类（镍、钛、锰、铝和硅）及其置换状态对石墨烯/铜界面结合能力的影响,发现异质原子钛和锰的引入能显著改善石墨烯和铜基体之间的界面结合能力,提高石墨烯/铜的力学性能。在A1A2A’1A’2（异质原子置换界面处的部分铜原子）型中,镍、钛及锰原子和石墨烯中的碳原子形成数量较多或强度较高的化学键及碳化物,尤其是锰与碳原子形成的新键或碳化物的强度高于基体中铜原子层之间的作用力。因此,在垂直于石墨烯平面方向拉伸时,锰原子的引入将石墨烯/铜的抗拉强度和伸长率分别提高了377%和364%,且断裂发生在基体铜中。与之相反,铝和硅的引入则有弱化界面间结合能力的趋势。（3）采用模拟计算在石墨烯中引入单空位缺陷,研究缺陷状态对石墨烯/铜基材料力学性能的影响。计算结果表明,石墨烯中的单空位缺陷可以增强铜基体和石墨烯之间的界面结合作用,尤其提高垂直于缺陷处的铜原子和石墨烯间的吸附能力。（4）结合课题组前期实验研究结果,构建了外电场作用下的石墨烯/铜基复合材料模型,研究了电场作用下石墨烯/铜的形成过程,分析了石墨烯对铜基材料电结晶行为的影响。研究结果表明,石墨烯作为第二相能够促进电镀液中的铜离子在其周围吸附沉积,降低其形核势垒,提高成核速率,使石墨烯和铜基体界面周围区域的晶粒尺寸细化进而改变界面处的微结构和材料整体的微观组织,影响材料的性能。上述研究结果揭示了异质原子的种类及其置换状态、石墨烯的缺陷状态和外电场等因素影响石墨烯/铜基材料的组织结构、界面结合特征以及力学变形行为的微观机制,有助于深入理解石墨烯/金属基材料的形变机制。可为从实验技术角度改善石墨烯/金属复合材料的界面结合强度和力学性能提供理论基础。