随着航空航天,交通运输和国防、军事工业的发展,业界对铝合金的强度、塑性和尺寸稳定性提出了更高的要求。传统铝合金存在强度低、尺寸稳定性差、不耐高温等缺陷,因此急需开发强度高、塑性好、尺寸稳定性高的新型铝合金材料。纳米金刚石（nanodiamond,ND）既具有金刚石高硬度、高强度和低热膨胀系数的优势,同时又具有纳米材料尺寸小,比表面积大,表面能高和表面易修饰等优良特性,是一种颇具应用前景的铝基复合材料增强体。但ND的高表面能特征使其容易产生团聚,导致其在铝基体中分散性较差;同时,由于金刚石与铝之间较差的润湿性,导致ND与铝合金之间难以形成良好的界面结合。因此,本研究采用2024Al铝合金为基体制备ND增强铝基复合材料（ND/2024A1复合材料）,重点通过对ND进行表面功能化处理抑制ND的团聚,改善ND在基体中的分布并增强ND与基体的界面结合,从而实现复合材料强度、塑性和尺寸稳定性的协同改善。同时,本研究对ND添加和ND的表面功能化处理对ND/2024Al复合材料的微观组织、力学性能和尺寸稳定性的影响规律及强化机制进行了探讨。取得研究成果如下:1.根据ND典型的sp3杂化金刚石核心和sp2杂化无定形碳球壳构成的“核壳”结构特点,本试验利用混合酸与ND表面的sp2杂化无定形碳球壳的氧化反应对ND进行表面功能化处理。通过合理的控制表面功能化处理过程中表面无定形碳与混合酸的氧化反应程度,协同实现了 ND的纯化和表面功能化。表面处理前的 ND（Raw ND,RND）和表面处理后的 ND（Functionalized ND,FND）的XRD、Raman、FTIR和XPS分析表明,ND的表面处理可以在有效地降低ND表面的无定形碳的含量的同时保持其内部金刚石结构的完整性,并在ND表面引入较多的羟基（-OH）、环氧基[-C（O）C-]、羧基（-COOH）或酯（COO-）官能团。利用这些含氧官能团的电荷斥力抵消ND颗粒之间引发团簇的范德瓦尔斯力的作用,从而有效地消除了 ND的团聚。2.利用FND表面官能团与2024Al颗粒的电荷吸引力的作用,制备出了混合均匀的ND/2024A1混合粉体。较之未经表面功能化处理的0.4 vol%RND/2024Al混合粉体出现团聚的情况,直到FND含量为1.6 vol%的FND/2024Al混合粉体中才在2024Al颗粒表面出现ND团聚。该结果表明表面功能化处理显著改善了 ND在2024A1粉体表面上的分布。由FND/2024Al混合粉体所制备的FND/2024Al复合材料大大降低了 FND在复合材料中α-Al晶界的偏聚,促进了FND在α-Al基体内的均匀分布,从而降低了基体中的气孔等缺陷。采用真空烧结+挤压工艺制备的复合材料的致密度达到99.3%以上。微观组织和EDS成分分析表明,ND/2024Al复合材料的微观组织中除了 ND颗粒外,还存在大量的Al2Cu相,T相（Al20Cu2Mn3）和S’析出相（Al2CuMg）。ND的表面功能化处理减少了 FND与α-Al基体界面处的无定形碳层的厚度,增强了 FND/α-Al界面的机械结合和界面化合,实现了 FND与α-Al基体的高强度结合。同时,ND阻碍了α-Al界面的晶界迁移,增加了 FND/2024Al复合材料的再结晶抗力,不但有助复合材料的晶粒细化,而且使复合材料中各取向织构分布更为均匀。3.ND的添加提高了 ND/2024Al复合材料的强度但降低了其塑性。功能化处理后添加0.8 vol%FND制备的FND/2024A1复合材料具有最高的屈服强度和抗拉强度,该复合材料的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别达到601.8 MPa、741.0 MPa和8.8%,强度和塑性均接近甚至超过T651热处理态的高强度7075合金,较之2024铝合金,0.8 vol%FND/2024Al复合材料的屈服强度和抗拉强度分别提高约为50%和41%而伸长率降低约20%。ND的表面功能化处理可以同时提高ND/2024Al复合材料的强度和塑性,较之未经表面功能化处理的0.8 vol%RND/2024Al复合材料,0.8vol%FND/2024Al复合材料的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别提高了～16.8%、～17.1%和～30%。综合分析强度模型的估算结果和实际的试验结果,ND和ND表面功能化处理对ND/2024Al复合材料的强化效应主要缘于ND的奥罗万强化,ND与α-Al间热失配强化和细晶强化,其中热失配强化机制在FND/2024Al复合材料的强化中占主导地位。4.ND/2024Al复合材料的尺寸稳定性研究表明:添加ND提高了 ND/2024Al复合材料的微屈服强度,而ND的表面功能化处理进一步增强了 ND对复合材料微屈服强度的改善效果,1.6 vol%的FND/2024Al具有最高的微观屈服强度388.6 MPa,其较2024Al的277.1 MPa提高约40.2%。由于ND的含量较低,1.6 vol%FND也仅能引起复合材料的热膨胀系数（CTE）的稍微降低,而ND的表面处理则可以使CTE进一步下降。FND/2024Al复合材料CTE变化与其微屈服强度密切相关,二者随ND含量具有相反的变化趋势。添加ND和ND的面功能化处理使FND/2024Al复合材料的弹性模量稍有增加,表面功能化处理后的0.8 vol%的FND/2024Al复合材料的初始复合模量和100 ℃的复合模量分别达到82.64 GPa和79.77 GPa,分别较2024Al提高12.7%和15.1%。因此,表面功能化处理使ND/2024A1复合材料在常温和较高温条件下均可保持良好的尺寸稳定性和较好的服役性能。综合分析对比ND含量和ND表面功能化处理对ND/2024Al复合材料的微屈服强度、模量和CTE的影响可知,ND及其表面功能化处理对ND/2024Al复合材料尺寸稳定性的改善是其降低ND团簇数量、改善ND的弥散度、增强ND界面结合、促进时效析出相数量以及降低内应力的综合作用结果。5.综合分析ND和表面功能化处理对ND/2024Al复合材料的强度、塑性、微屈服强度和弹性模量和热膨胀系数的影响发现,添加0.8 vol%FND的FND/2024Al复合材料,不仅具有良好的室温强度和塑性配合,而且具有较高的微观屈服强度、最低的CTE和最高的室温和高温弹性模量,因此具有良好的综合力学性能和尺寸稳定性。