复合化是金属材料提高力学性能的有效途径。在传统的金属基复合材料(MMCs)中,人们往往追求增强体在金属基体中的均匀分布,进而避免由增强体的团聚导致的应力集中和复合材料整体力学性能的降低。但这类以相与组织在空间均匀分布为特征的复合构型不利于最大程度地发挥不同组分之间的协同耦合效应,进而造成复合材料在强度和刚度提高的同时,塑韧性明显下降,制约了MMCs在工程应用领域的发展。与采用均匀复合构型的传统MMCs不同,启迪于自然生物材料的精细构型,本研究小组以具有高强高模的石墨烯(还原氧化石墨烯,reduced graphene oxide,RGO)作为增强体,采用改进的粉末冶金技术制备了RGO-Al纳米叠层块体复合材料。在此基础上,为了进一步揭示RGO-Al纳米叠层复合材料的强化、变形和韧化机制,本文在RGO-Al纳米叠层块体复合材料的表面上制备出具有不同叠层取向和不同RGO含量的RGO-Al复合微柱,并在相同条件下对微柱进行单轴压缩试验。通过调控RGO-Al纳米叠层复合微柱的叠层取向与加载方向的夹角,本文定量评估了RGO的增强效果以及RGO/Al界面的抗剪强度。研究结果表明,RGO通过承载作用对RGO-Al叠层复合材料起到强化效果,且RGO与加载方向的相对取向可以显著影响RGO-Al复合微柱的强度。通过调控RGO取向使之与加载方向平行可以使复合材料中的RGO充分发挥其优异的本征力学性能,大幅提高其增强效率。同时,提高复合材料中RGO的含量可以使Al基体中的RGO由非连续分布转变为连续分布,进而提高RGO-Al复合材料的强度。所有微柱的应力-应变曲线上均出现应力突跳现象,并且应力突跳的大小不受微柱叠层取向的影响,而是随着微柱中RGO含量的增加而增大,证明了在RGO-Al复合材料的塑性变形过程中,RGO/Al界面可作为位错阱,且随着RGO含量的提高,复合材料中RGO/Al界面的总面积增大,进而提高了位错湮灭的强度。并且,通过调控微柱中RGO/Al界面取向与分切应力最大的方向平行,本文直接测量出RGO/Al界面的抗剪强度大于133 MPa,并证明了这种结合良好的RGO/Al界面可以使RGO-Al叠层复合材料中裂纹偏转至趋向于与叠层取向平行的方向,延长裂纹扩展路径,进而提高复合材料的韧性。本文通过对RGO-Al纳米叠层复合材料的强化机制、形变机制和韧化机制的研究,证明了这种纳米叠层仿生复合构型和良好结合的增强体/基体界面可以充分发挥增强体本征力学性能,高效提高复合材料的强度,并同时提高复合材料的韧性。本研究显示了复合材料的结构设计和调控对综合提高MMCs力学性能的重要意义,所采用的研究方法可直接应用于其他具有非均匀复合构型的复合材料,进而准确揭示其性能响应机理,阐明其构-效关系,为复合材料构型的优化设计和力学性能的精确调控提供途径与方法。