碳纳米管(CNTs)增强铜基复合材料具有优异的力学性能、出众的热学性能和电学性能,在航空航天、军事国防、交通运输和电子行业等领域有着广泛的应用前景,故而一直备受关注。不过,这种新型的碳纳米相增强金属基复合材料(MMCs)依然存在着强度和塑韧性的倒置关系。复合构型对于提高MMCs的强韧化匹配具有重要意义,科学家发现“非均质复合构型”能够充分发挥复合设计的自由度和不同组元的协同作用,实现“构型强韧化”。贝壳珍珠层的微纳砖砌结构赋予了其强韧化的完美匹配,故而材料科学家试图通过仿生微纳砖砌结构的复合构型设计来解决强度和塑韧性的倒置关系。在实际应用中,结构功能材料会遇到诸如热循环和高温的工作环境,而MMCs在热循环和高温力学方面的相关研究较少。例如,人造卫星的部件在地球的阴影下﹣160℃和太阳直射下的130℃之间受到极端的热循环。由于它们的热膨胀系数不同,这种苛刻的热循环条件必然会在复合材料中增强体与基体之间产生较大的界面应力,从而可能导致复合材料的微损伤甚至灾难性破坏。本论文以CNTs/Cu复合材料的仿生微纳米砖砌结构为研究对象,探索其力学性能与仿生微纳砖砌结构的内在联系。同时,通过对仿生微纳米砖砌CNTs/Cu复合材料的力学性能对温度(高低温、热循环)相应的系统研究,旨在为恶劣环境下工作的新型功能材料提供研究思路和技术途径。本论文主要研究结果如下:(1)采用片状粉末冶金方法制备了仿生微纳米砖砌结构CNTs/Cu复合材料。这种复合方法具有实现CNTs在铜基体中的均匀分散和结构损伤尽可能低的优点。利用十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)修饰球磨后的片状铜粉表面来赋予其正电荷,然后利用静电吸附机理来实现CNTs在铜片表面的均匀吸附,从而克服了CNTs与铜不润湿的难题。通过高温(950℃)热压烧结、热轧(850℃)等致密化工艺制备出具有仿生微纳米砖砌结构的CNTs/Cu复合材料。通过SEM、Raman、TEM等手段表征了从球形铜粉到仿生微纳米砖砌结构材料的演变。研究表明,片状粉末冶金工艺是制备仿生微纳米砖砌结构金属基复合材料的有效途径。而CNTs的均匀分散、致密化工艺的参数是实现制备高质量仿生微纳米砖砌结构材料的关键,适当的提高致密化工艺的烧结温度有利于保证CNTs和铜基之间的界面结合强度。(2)具有仿生微纳米砖砌结构的CNTs/Cu复合材料在强度、延伸率和导电性方面表现出良好的平衡性。1vol.%CNTs/Cu复合材料的拉伸强度达到395 MPa,断裂延伸率大于20%,导电率超过90%IACS(国际退火铜标准)。这些优异的综合性能归因于CNTs在铜基体中的均匀分散、CNTs的结构损伤轻微以及CNTs与铜基体的强界面结合。仿生微纳米砖砌结构由Cu和CNTs交替复合组成。此外,仿生微纳米砖砌结构中的“层间互锁”结构,有利于利用铜基体固有的塑性特性。同时,界面处的CNTs附近的Cu基体中存在高密度位错。明场和弱束暗场成像均表明,CNTs能有效地阻止位错运动,从而提高复合材料的强度。此外,X射线断层扫描和数字图像相关(Digital image correlation,DIC)技术分析表明,仿生微纳米砖砌结构能有效地缓和应力集中,有利于强度-延伸率的平衡。(3)研究了仿生微纳米砖砌结构CNTs/Cu复合材料在-196-200℃温度范围内热循环对其力学性能的影响。热循环导致仿生微纳米砖砌结构CNTs/Cu复合材料中的微孔、空洞和裂纹的形成。结果表明,随着热循环次数的增加,仿生微纳米砖砌结构CNTs/Cu复合材料的强度、延伸率和杨氏模量均降低。此外,随着热循环次数的增加,铜基体中的位错数量逐渐增加,在足够的热循环次数后,由于裂纹的形成和应力的释放,位错数量又逐渐减少。在热循环和拉伸载荷作用下,仿生微纳米砖砌结构CNTs/Cu复合材料中CNTs的管壁层间断裂是其失效的主要形式。(4)研究了仿生微纳米砖砌结构CNTs/Cu复合材料在高温下的力学性能和破坏机理。当拉伸温度提高到773 K时,CNTs依然起到增强基体的作用,但在923 K时,CNTs/Cu复合材料的屈服强度甚至低于纯铜基体,其原因可能是CNTs抑制晶粒长大,促进铜基体软化。仿生微纳米砖砌结构CNTs/Cu复合材料在573K和773 K时的变形机制分别为受管扩散机制(Pipe diffusion mechanism)控制位错攀移蠕变和晶格扩散(Lattice diffusion)控制位错攀移。仿生微纳米砖砌结构CNTs/Cu复合材料在不同温度范围内具有不同的失效机制:即低温下的“界面脱粘”,高温下的“基体失效”。