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颗粒增强金属基复合材料具有高强度、高比弹性模量、耐磨损等优点，在军事、航空航天、汽车、机械、电子等领域具有广泛的应用前景。然而，微米陶瓷颗粒增强金属基复合材料存在的不足是强度提高，塑性下降，并且对高温力学性能提升不明显。这是颗粒增强金属基复合材料多年来一直没有解决的瓶颈难题。研究表明，采用纳米颗粒作为增强相制备金属基复合材料，可以解决这个瓶颈难题。然而，由于纳米颗粒比表面能大，在金属基体中易于偏聚。同时，纳米颗粒表面容易被污染，导致其与金属基体的润湿差，界面结合不好。因此，虽然纳米颗粒增强金属基复合材料具有优异的力学性能，但是纳米颗粒均匀分布、界面结合良好的复合材料难以制备。同时，对于纳米颗粒增强金属基复合材料的组织和性能的研究还相对偏少。所以，纳米颗粒增强金属基复合材料的制备技术和纳米颗粒对复合材料组织和性能的影响规律及强化机制还需要进一步探索与揭示。本文选取Al-Cu系铝合金为基体合金，纳米TiC颗粒作为增强相。通过第一原理计算揭示原位反应形成TiC形貌演化的机制；并且分别采用搅拌铸造法、熔体内反应法和中间合金法制备纳米TiC颗粒增强Al-Cu基复合材料，揭示出纳米TiC颗粒对Al-Cu基复合材料微观组织和力学性能的影响规律以及强化机制；提出制备纳米TiC颗粒增强Al-Cu基复合材料的最佳制备方法。本文主要研究结果如下：1)首次采用第一原理计算和实验验证，建立了燃烧合成反应原位生成的面心立方结构TiCx颗粒的形状演化与化学计量比x值之间的关系，揭示出TiCx形貌从八面体转变为球形的x临界值为0.625。提出了TiCx颗粒从八面体到球形的转变机制：当x值为0.5时，{111}面的表面能低于{100}面的表面能，TiCx颗粒的生长形貌为八面体；随着x值的增加，{100}面的表面能下降速度比{111}面的快，当x值>0.625时，{100}面的表面能低于{111}面的表面能，TiCx颗粒的生长形貌开始向球形转变。2)揭示出纳米颗粒增强Al-Cu基复合材料的α-Al枝晶得到了明显细化，强塑性得到了显著提高：i) Al-Cu基体合金铸态组织的α-Al枝晶较粗大，其尺寸约为180μm，抗拉强度和延伸率分别为485MPa和6.6%。ii)外加搅拌铸造法、熔体内反应法和中间合金法制备的1.0wt.%纳米TiC颗粒增强Al-Cu基复合材料的α-Al枝晶尺寸分别约为150、80和70μm，抗拉强度和延伸率分别为527MPa、14.3%，526MPa、15.1%和572MPa、11.4%。iii)外加搅拌铸造法、熔体内反应法和中间合金法制备的3.0wt.%纳米TiC颗粒增强Al-Cu基复合材料的α-Al枝晶尺寸分别约为120、50和58μm，抗拉强度和延伸率分别为452MPa、10.1%，521MPa、12.2%和630MPa、10.8%。iv)熔体内反应法和中间合金法制备的复合材料的对α-Al枝晶的细化效果更明显，中间合金法制备的复合材料的强塑性提高最显著。3)发现纳米TiC颗粒增强Al-Cu基复合材料中的θ’析出相得到了显著细化。Al-Cu基体合金和采用外加搅拌铸造法、熔体内反应法、中间合金法制备的复合材料中的θ’析出相的长度分别为194、80、45和70nm，厚度分别为14.24、2.25、2.55和2.12nm。4)揭示出不同形状和尺寸的纳米TiCx颗粒对复合材料的α-Al枝晶和常温、220oC高温强塑性的影响规律。纳米TiCx颗粒尺寸越小，形状越趋于球形，α-Al枝晶尺寸越小，常温和220oC的抗拉强度越高：i) Al-Cu基体合金中α-Al枝晶较粗大，其尺寸约为180μm，其常温和220oC时的抗拉强度和延伸率分别为485MPa、6.6%和220MPa、10.4%。ii)3.0wt.%尺寸为120nm和60nm纳米TiCx颗粒增强Al-Cu基复合材料的α-Al枝晶尺寸分别约为70和58μm，常温时的抗拉强度和延伸率分别为562MPa、10.9%和630MPa、10.8%，220oC时的抗拉强度和延伸率分别为300MPa、9.6%和344MPa、6.5%。iii)3.0wt.%的近球形和八面体纳米TiCx颗粒增强Al-Cu基复合材料的α-Al枝晶尺寸分别约为58和65μm，常温时的抗拉强度和延伸率分别为630MPa、10.8%和606MPa、6.8%，220oC时的抗拉强度和延伸率分别为344MPa、6.5%和330MPa、6.7%。5)揭示出纳米TiC颗粒增强Al-Cu基复合材料的常温强韧化机制主要归因于纳米TiC颗粒引起的α-Al枝晶细化，θ’析出相更加细小弥散和尺寸细小的球形纳米TiC颗粒的综合强化作用；纳米TiC颗粒增强Al-Cu基复合材料的高温强化机制主要为纳米TiC颗粒强化，θ’析出相的强化作用减弱。6)通过对组织、力学性能和工艺特点的综合对比，提出在本研究中纳米TiC颗粒增强Al-Cu基复合材料的最佳制备方法为中间合金法。采用中间合金法制备的3.0wt.%尺寸为60nm的近球形纳米TiCx颗粒增强Al-Cu基复合材料具有最好的综合室温和高温拉伸性能，其室温屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为374MPa、630MPa和10.8%，分别比Al-Cu基体合金提高了23.4%、29.9%和63.6%；在220oC和315oC的抗拉强度分别为344MPa和144MPa，分别比Al-Cu基体合金提高了56.4%和51.6%，并且具有较好的塑性。本论文所取得的成果为开发具有高的强韧性和高温强度的纳米颗粒增强铝基复合材料及其制备方法提供了理论与技术基础。