针刺碳/碳复合材料(Needle-punched carbon/carbon composites,简称NP C/C复合材料)是一种准三维的耐高温复合材料,该材料均衡了层间力学性能和制造成本,在热结构中有广泛应用前景。针刺工艺会在NP C/C复合材料中留下针孔,并造成针孔处局部纤维打断、打弯、挤偏等缺陷,这些缺陷直接影响了复合材料整体的刚度和强度性能,因此其力学性能预测模型应能准确反映出这些细观缺陷的影响。NP C/C复合材料通常用于在高温环境工作的结构,高温下的氧化会造成材料力学性能的大幅下降,其高温环境下的氧化行为及剩余刚度、强度等特性也是有待深入研究的课题。本文主要研究工作和成果如下:1)采用层去法获取了NP C/C复合材料一系列连续断面的细观图像,设计了一套磨削夹具以提高断面逐层打磨时的平行度和平面度,保证了断面图像的质量以及重构模型的精度。采用最大熵值法推导出合适的图像分割阈值,对图像的主要组分(纤维束、基体、孔洞)进行分割,经降噪和像素灰度二值化处理后得到纤维束/基体间明晰的边界。本方法可以有效处理C/C复合材料图像识别中纤维束和基体灰度值对比度低的难题。建立了基于灰度二值化断面图像的复合材料细观有限元模型重构方法,提出一种单元节点挪动算法以消除不同相边界处网格的锯齿形状,提高了模拟精度。本文方法重构的有限元模型可以直接生成ABAQUS软件的输入文件。2)对上述方法重构的NP C/C复合材料的三维细观有限元模型施加合适的边界条件,在ABAQUS平台下进行了拉伸和压缩载荷下的渐进损伤分析。其中纤维束的拉、压损伤采用Hashin判据,基体损伤采用最大应力判据,这些损伤模型以及损伤单元的模量折减通过用户材料UMAT模块在ABAQUS平台上实现。用重构的有限元模型分析了不同应力状态下NP C/C复合材料损伤发展的规律,为其力学性能评估提供了有效的手段。3)依据对NP C/C复合材料细观结构的观测,将复合材料中针刺的损伤归纳为五种典型形态:无针孔损伤、针孔完全在基体内、针孔穿过纤维束、针孔穿过纤维束且打断部分纤维、针孔穿过纤维束一侧且打断部分纤维。分别建立了与之对应的五种子单胞模型,并分析了它们的平均弹性常数和损伤发展过程。将针孔区简化为一个椭圆夹杂,利用椭圆夹杂理论计算出针孔内及针孔周围区域的应力集中。建立了一个由上述子单胞组成的包含最小周期针刺分布的代表性体元(RVU,Representative Volume Unit)模型,分析了拉伸和压缩载荷下RVU中子单胞的逐步失效过程。与重构的细观有限元模型相比,本模型也能够反映出NP C/C复合材料损伤的主要规律,同时大大提高了分析效率。基于上述子单胞RVU模型讨论了针刺工艺中的针刺分布随机性对复合材料的模量和强度的影响,结果发现在针刺密度一定的前提下,针孔分布的随机性对复合材料模量的影响基本可以忽略,对强度的影响也在10%以内。4)针对NP C/C复合材料面内纤维束在针孔处发生局部弯曲的特点,建立了曲梁单元以反映纤维束局部的拉(压)/弯耦合效应。基体对纤维束的约束作用采用简化的等效拉(压)、剪弹簧单元模拟,模型中考虑了部分纤维打断以及基体中孔洞等缺陷对曲梁和弹簧单元参数的影响,在加载过程中纤维束梁单元和基体弹簧单元的逐步失效,从另一个角度反映了NP C/C复合材料渐进损伤的细观特征。5)在600℃温度下对NP C/C复合材料进行了氧化试验,测量了其氧化失重率的增长曲线,对比材料初始密度与氧化失重率的关系,给出了基于实验的拟合公式。观测了试件氧化前后表面的三维形貌图像,用浸水法测得了开孔率的变化,研究了600℃温度下静态氧化过程中的质量损失。对该种复合材料氧化后的拉伸、压缩以及三点弯曲的模量和强度进行了测试,拟合了力学性能衰退与氧化失重之间的关系,发现剩余模量和剩余强度与氧化程度之间均满足双曲线关系。