碳纳米管(MWCNT/SWCNT)增强铝基复合材料呈现出高强度、高模量及低密度等卓越的力学特征,在航空航天、交通运输与能源环境等领域应用前景广阔。启迪于贝壳珍珠层的“砖-砌”叠层复合构型,可以有效改善铝基复合材料的塑韧性,实现强度和塑性间的优良匹配。目前,针对仿生叠层复合构型铝基复合材料的基体层厚效应研究工作还较为匮乏,对阐明不同基体层厚铝基复合材料的强韧化机制尚有待深入。本研究围绕不同基体层厚对仿生叠层铝基复合材料的微观组织和力学性能的影响规律这一关键难题,采用片状粉末冶金方法成功制备出SWCNT/6061Al仿生叠层复合材料,重点研究了不同基体层厚下的SWCNT/6061Al仿生叠层复合材料的组织与性能耦合响应关系,阐明了基体层厚效应对仿生叠层复合材料力学性能的作用机制。主要研究成果如下:(1)从SEM和TEM的表征结果可知,所制备的SWCNT/6061Al仿生叠层复合材料具有微纳米尺度下的有序“砖-砌”仿生叠层复合构型。对复合材料中SWCNT体积分数的优化结果表明:随着SWCNT体积分数的升高,复合材料的弹性模量、屈服强度及抗拉强度均有所提升,而断裂延伸率则降低。当体积分数为1.5 vol.%时,SWCNT的均匀分散效果最佳,球磨6 h基体层厚复合材料的弹性模量达到79.5GPa,抗拉强度达到414 MPa,较球磨6 h的纯6061Al基体材料提升了28.6%,同时塑性也得到良好保持。(2)6061Al基体的球磨片化表征显示:随着球磨时间延长,6061Al基体片层直径先增大后减小,球磨时间过长会破坏片层结构的完整性。当球磨时间分别为2 h,4 h,6 h和8 h时,6061Al的片层厚度分别为1μm,650 nm,350 nm和325 nm,径厚比在球磨6 h时达到最大。随着基体层厚的逐渐减小,6061Al内部晶粒的择优取向发生相应改变,平均晶粒尺寸下降,强度和硬度逐渐升高,断裂延伸率和致密度逐渐下降。(3)6061Al基体随着层厚的降低,比表面积和附着空间不断增大,SWCNT在6061Al片层表面的分散均匀性逐渐提升,球磨6 h下在基体片层中达到最佳分散效果,球磨时间继续增加会导致SWCNT在基体片层破碎微孔缺陷处重新缠结团聚。基体层厚下降促使复合材料界面反应加剧,SWCNT晶格缺陷增多。复合材料晶粒的平均尺寸随基体层厚的下降而减小,球磨2 h,4 h,6 h和8 h基体层厚复合材料的平均晶粒尺寸分别为870 nm,755 nm,667 nm和642 nm。单轴拉伸试验结果表明:随着基体层厚降低,复合材料屈服强度先上升后下降,抗拉强度逐渐升高,断裂延伸率降低,弹性模量则整体略有上升。在球磨6 h,基体层厚350 nm时,复合材料实现了414 MPa的抗拉强度,较球磨2和4 h基体层厚时分别提升了22.8%和13.7%,同时保持了9%的断裂延伸率,实现了强度和塑韧性的优良匹配。(4)SWCNT/6061Al复合材料的强化效果主要来源于SWCNT的应力承载和6061Al基体的细晶强化作用。通过剪切滞后模型计算出球磨2 h,4 h,6 h和8 h基体层厚的复合材料中SWCNT的理论承载强化贡献分别为45.8 MPa,49.0 MPa,54.4 MPa和54.8 MPa。以球磨2 h基体层厚为基准,根据Hall-Petch关系可计算出球磨4 h,6 h和8 h基体层厚的复合材料细晶强化贡献分别为8.1 MPa,17.0 MPa和19.9MPa。通过ABAQUS软件对复合材料进行微细观有限元建模和模拟,计算出的复合材料拉伸应力-应变关系和实验值较为吻合,有力地印证了基体层厚效应对复合材料强韧化所起到的关键作用。本文对基体层厚效应研究成果可广泛拓展至具有仿生叠层复合构型的其他复合材料体系,为仿生叠层复合材料的微观构型设计与性能强韧匹配提供有力指导和理论依据。