三维编织Cf/Al复合材料除了具有高比强度、高比模量、优良的抗冲击性能以及耐腐蚀性能外,最为重要的特征是其质轻、密度低,且结构功能具有可设计性,并能编织复杂的异形件,在航空航天、武器装备等领域具有广阔的应用前景,尤其是在航空发动机研制中展现出了巨大优势。本文选用M40J纤维编织成叠层穿刺结构预制体,以ZL301合金为基体材料,通过真空压力浸渗法制备了纤维体积分数为47.5%的叠层穿刺结构Cf/Al复合材料,主要研究了复合材料的组织特征以及室温和高温时的弯曲、剪切性能,分析了测试温度对复合材料弯曲、剪切性能的影响,并进一步分析了复合材料弯曲、剪切性能失效机理。为叠层穿刺结构Cf/Al复合材料实际工程应用继而对推动三维编织碳纤维增强金属基复合材料更广泛地工程应用提供理论支持。研究结果表明,叠层穿刺结构Cf/Al复合材料的致密度为96.3%,经向、纬向显微组织中纤维丝均存在一定程度地偏聚现象,且纬向显微组织中的微孔缺陷较经向显微组织要多,残余应力使得复合材料中纤维丝的形貌呈现“豌豆”状;复合材料主要是由C、Al、Al3Mg2以及Al4C3相组成,碳纤维与基体合金界面轮廓清晰,界面结合较好。复合材料基体合金中Al的晶格常数为0.40845nm,较ZL301合金中Al的晶格常数0.40785nm要大,主要由于残余应力使得基体相进一步受拉而导致的;纤维原丝的直径和拉伸强度分别为5.73μm和4400MPa,而从复合材料中萃取出纤维丝的直径和拉伸强度分别为5.24μm和3251.8MPa,复合材料中萃取出纤维丝的形貌较纤维原丝存在较长较深划痕,且表面有一层粘附物,应是复合材料在高温浸渗过程中,碳纤维与熔融铝液的界面反应所致。弯曲试验结果表明,随着测试温度的升高,叠层穿刺结构Cf/Al复合材料的弯曲性能呈现下降趋势。其中,室温、350℃以及400℃时复合材料的弯曲强度分别为310.2MPa、175.2MPa和160.8MPa,350℃和400℃时复合材料的弯曲强度分别比室温时下降了43.5%和48.2%;而室温、350℃和400℃时复合材料的弯曲模量分别为101.4GPa、90.1GPa和87.5GPa,350℃和400℃时复合材料的弯曲模量分别比室温时下降了11.1%和13.7%。复合材料弯曲失效机理为内侧面受压处,复合材料的表面损伤主要表现为基体合金的团簇,经向纤维束屈曲变形以及纬向纤维束挤压变形程度随测试温度升高越来越严重。而在外侧面受拉处复合材料被拉伸破坏,造成基体开裂,基体合金开裂现象随测试温度升高稍有改善,伴有纤维拔出现象。剪切试验结果表明,随着测试温度的升高,叠层穿刺结构Cf/Al复合材料的剪切性能呈现下降趋势。其中,室温时复合材料的剪切强度为78.6MPa,350℃时复合材料的剪切强度为46.0MPa,比室温时下降了41.5%;室温时复合材料的剪切模量为8.26GPa,350℃时复合材料的剪切模量为1.85GPa,比室温时下降了77.6%。复合材料剪切失效机理为剪切破坏首先发生在“V”型口碳纤维与基体合金界面损伤处,裂纹沿与剪切力方向呈现约45°扩展;随着测试温度的升高,经向纤维束屈曲变形、纬向纤维束挤压变形以及Z向穿刺纤维束偏折程度越来越严重。其中,复合材料的表面损伤主要表现为基体合金的开裂与褶皱。