C/C复合材料是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料,具有密度低、耐摩擦、导热性好、机械性能优异、热膨胀系数低等优点,是最有发展前途的高温材料之一。针刺工艺通过对碳纤维织物的叠层针刺,达到增强预制体层间性能的目的,是制造C/C复合材料预制体的一种重要技术。针刺C/C复合材料克服了 2D铺层复合材料层间强度弱的缺点,弥补了 3D C/C复合材料工艺复杂、致密度低的不足,因此在航空航天领域,如飞机制动器、固体火箭发动机材料等方面得到了广泛应用。近年来,宏观实验研究手段增进了对针刺复合材料力学性能的经验性认识,但细观力学行为的仿真分析尚处于起步阶段,尤其在力学性能预测、破坏机理分析等方面的研究尚需加以完善。为了探究针刺工艺对于C/C复合材料力学性能的影响,本文在细观结构精细表征的工作基础之上,建立与实际材料结构相吻合的力学模型,开展对其细观力学行为的仿真研究,为针刺C/C复合材料的加工工艺提供合理的优化建议。主要包含以下内容:首先,采用显微CT和三维重构技术对高密度针刺C/C复合材料的细观结构进行精细表征,探究针刺工艺对材料孔隙分布的影响。结果表明,网胎层的孔隙率远高于炭布层和针刺纤维束区,针刺作用造成的预制体内部间隙是形成大尺寸孔隙的根源。高压液相倾浸法可以降低炭布层孔隙率,进而提高C/C复合材料的密度。孔隙球度、倾斜角和方位角的计算表明,不同铺层的孔隙分布特征与铺层内的纤维排布方式有关,炭布层孔隙呈现明显的沿纤维分布特征。其次,建立了针刺C/C复合材料的多针刺区单胞模型。单胞模型被划分为炭布层、网胎层和针刺纤维束区等三个子区域,其中,针刺纤维束具有随机分布特征,与材料实际结构相吻合。采用基于Mori-Tanaka模型的二次均匀化算法,计算模型各区域的材料参数,并通过对立方体单胞模型加载周期性边界条件,实现有效弹性性能的预报。再次,开展了基于随机单胞模型的细观力学分析,包括应力变形分析、有效模量预报以及层合板模型的对比验证等内容。研究发现,针刺纤维束的分布情况会形成不同的应力分布特征,但在相同的针刺密度条件下,针刺纤维束区的分布情况对于复合材料有效弹性模量的影响非常小,轻微的弹性模量降低主要是由于部分针刺纤维束区发生重合,针刺区体积分数降低所造成的;降低炭布层孔隙率有助于提高复合材料各个方向的弹性性能,而这方面的性能提升将主要依赖于致密化工艺的改进;在一定范围内,提高针刺密度和深度会降低轴向拉伸模量,但有助于提升材料的剪切性能和法向拉伸性能,这与针刺纤维束区直径增大所造成的影响非常相似。层合板结构模型可用于薄壁变截面针刺C/C复合材料的宏观力学分析,层合板单胞模型与随机单胞模型的对比分析表明,采用内聚力模型表征针刺纤维束对于层间的增强作用,会对面内剪应力分析造成较大的计算误差。最后,将剪滞理论与有限差分算法相结合,提出了一种高效精巧的剪滞数值算法,分析了针刺工艺对于C/C复合材料层板细观应力集中的影响。研究表明:增大针刺孔的尺寸会带来更为严重的应力集中,纤维断裂数量要比针杆排开间距的影响更为显著。纤维直径/间距的比值变化同样也会对应力集中带来影响。较高的纤维直径/间距比值,造成较高的局部刚度,进而导致过载区和失效区面积的下降。若针刺位置规则分布,针刺孔之间的应力重分布区域很难产生相互影响。针刺位置随机分布的结果对比发现,随机分布的算例中过载区的面积减少,失效区的面积增加。而针刺孔随机分布的复合材料层板,其应力分布情况与实际情况更为接近。细观应力集中的分析工作揭示了针刺工艺对于C/C复合材料纵向拉伸强度的影响机制。当针刺密度低于40针/cm2时,纤维体积含量随着针刺密度的提高而上升,进而提高了复合材料的纵向拉伸强度;当针刺密度高于40针/cm2时,纵向拉伸强度随着针刺密度的提高而下降,这一现象并不与针刺孔间距减小有明显关联。循环针刺过程中,刺针极有可能对预制体的同一区域进行反复针刺,增大了针刺位置的损伤,特别是每个针刺孔中断裂纤维的数量累积,是造成纵向拉伸强度降低的主要原因。