在传统的金属基复合材料设计过程中,通过加入硬质的第二相来使材料的强度实现大幅提升是一种常用的方式。而增强相的加入往往是无序的均匀分布,这种复合材料的微观结构虽然提高了材料强度,但是也大幅的降低了材料的塑性和韧性,限制了其更大的发展前景。但是,在自然界中,生物经过长时间的进化过程,拥有了比人类设计的材料更加精妙的微观结构,比如珍珠层。珍珠层由95%的碳酸钙和5%的有机介质组成,呈现碳酸钙片层与有机介质层状堆叠的微观结构。由于其结构特征,珍珠层在提升强度的同时,韧塑性也获得了明显改善。为了更好地在复合材料的基础上模仿珍珠层层状堆叠结构及获得强度与韧塑性的一同提高,本论文在仿生纳米层状堆叠构型石墨烯(还原氧化石墨烯,rGO)增强Al基复合材料制备的基础上,提出了一种创新的石墨烯与铝之间的结合方法。即通过硅烷偶联剂改性氧化石墨烯(GO)实现GO在片状铝粉表面的自装配行为。本论文的主要研究结果如下:(1)使用硅烷偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷(APS)对GO进行化学改性。通过在70℃条件下水浴加热4 h,同时进行磁力搅拌可以使APS水解产生硅羟基并且与GO发生之间脱水缩合反应。通过红外光谱及XPS分析可以发现使用APS与GO之间出现了C-O-Si的共价键连接。拉曼光谱分析可以看到GO经APS改性后,I_D/I_G比值由0.89增加到0.95,表明APS添加并未大幅影响GO的原始平面结构。(2)通过一系列自下而上的组装过程,包括球磨铝粉,混粉,干燥,热还原与热压烧结过程,有效地复制了典型的珍珠质特征的层状结构。特别是引入了APS/GO作为增强相,在铝粉表面均匀包覆,分散性也得以提高,来进一步增强复合材料。通过对球磨工艺的摸索,发现铝粉随着球磨时间的不断增加,厚度逐渐减少,形状逐渐变为片状。为了使烧结后材料微观结构的尺度与珍珠层最大程度相似,再加上考虑粉体在后续热压烧结的过程中的变形量影响,制备片状铝粉的球磨时间定在4 h。经过SEM表征,APS/GO与片状铝粉表面结合紧密,且GO层数很低,分散性良好。而不使用APS改性的GO出现分层现象。(3)烧结完毕的复合材料微观组织基本重现了珍珠层状堆叠结构。通过扫描电镜和透射电镜表征,GO层与铝层交替分布,且十分均匀。GO与铝粉表面生成的无定形氧化铝之间结合紧密,在界面处未出现孔洞等缺陷。并且GO层数为10层以下,说明APS改性后分散性较好。材料的力学性能的测试结果表明,0.15 wt.%rGO/Al的维氏硬度相对纯铝提升了40%,为33.1±5.8 HV,压缩强度比纯铝提高58%,最大变形率也由41.9%提升到51.7%。通过极少量石墨烯添加和仿珍珠层结构的共同作用,提高了材料的强度及塑性。本研究显示了硅烷偶联剂APS化学改性GO可以有效改善铝粉与GO之间的结合,增强铝基体与石墨烯之间的界面关系形成紧密的键连。这种通过共价键连接石墨烯与金属基体的设计对石墨烯增强金属基复合材料的仿生结构设计有重要意义。通过实现了珍珠层结构实现了强度与塑性的同时大幅提高,为制备高强高塑的金属基复合材料的发展提供实验基础和理论依据。