炭/炭复合材料具有密度低、比强度高、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好以及优良的摩擦磨损性能,现已广泛应用于飞机制动盘。有关其结构和性能的研究一直是相关学者的研究热点。但目前炭/炭复合材料的摩擦磨损机理仍不明确,摩擦表面层的结构尚未得到表征。本研究以航空飞机刹车盘常用的几种炭/炭复合材料为研究对象,采用透射电子显微镜(TEM)等分析手段,系统地研究了不同基体炭的炭/炭复合材料的显微结构对其热物性能、微观力学性能及失效机制、摩擦磨损性能及机理的影响,建立了适合不同材料结构的磨损模型,并细致地分析了摩擦表面层的精细结构。主要研究内容和结果如下：(1)研究了基体炭为树脂炭、光滑层热解炭、再生层状热解炭、粗糙层热解炭加树脂炭四种炭/炭复合材料的热物性能。经树脂浸渍过的试样导热系数随温度的升高而下降；未经树脂浸渍的试样,导热系数随着温度的升高而增大。具有再生层状结构热解炭的炭/炭复合材料在平行于纤维布方向上,集中分布着大孔隙,有效地抑制了材料的热膨胀。垂直纤维布方向热膨胀系数最小,在同一温度下摩擦表面的热应力最小,有助于稳定摩擦系数,降低磨损。(2)研究了精细结构对炭/炭复合材料的微观力学性能的影响。建立了适合不同织构度基体炭的微观变形机理模型。各向同性结构基体炭发生弹性形变,具有最高的弹性模量和硬度；高织构热解炭石墨片层笔直、内部缺陷少,发生塑性变形,弹性模量和硬度均较小,其它结构的基体炭微观力学性能处于两者之间,且随着织构度的增加弹性模量和硬度均减小。(3)研究了飞机不同制动条件下炭/炭复合材料的摩擦磨损特性特性。基体炭为树脂炭、粗糙层热解炭或再生层状热解炭的试样的摩擦系数稳定,变化规律符合飞机刹车材料的典型特征,基体炭为光滑层热解炭的试样的摩擦系数随刹车速度变化不明显,各条件下的摩擦系数均较小,摩擦曲线波动较大。基体中含有树脂炭的试样的摩擦系数随着压力的增大有先降后升的趋势,试样中含有硬度较高的树脂炭,高压并不能立即碾碎树脂炭颗粒,形成表面润滑层,反而高压使摩擦剪切力增大,摩擦系数增大。各条件下纯树脂炭基体试样的磨损均远大于其他试样。(4)根据炭纤维周围基体炭的结构变化将炭/炭试样分为三大类,建立了适合不同基体炭类型炭/炭的磨损模型。对于从炭纤维表面到外层,基体炭从高织构逐渐变化为低织构的炭/炭复合材料,断裂出现在高织构树脂炭内部或者炭纤维表面。对于热解炭和树脂炭混合增密工艺的试样,断裂出现在热解炭与树脂炭界面、高织构树脂炭或热解炭内部和炭纤维表面。对于基体炭织构由中低织构逐渐升高的炭/炭复合材料,断裂主要出现在高织构基体炭内部,磨损逐层发生,磨损量较小。(5)首次提出炭/炭复合材料制动摩擦层和摩擦膜的区别。各试样在不同刹车条件下摩擦表面均能形成厚度不均匀的摩擦层。摩擦层正面平坦,主要由粒度小于400nmm的纳米颗粒组成。摩擦层的背面与基体相接,较粗糙,颗粒尺寸大于20μm。纳米碎屑主要由非晶碳和少量晶粒尺寸小于2nm的微晶组成,微晶颗粒随机取向,非晶碳夹杂在微晶颗粒之间。微米级颗粒中微晶尺寸大于10nm,晶粒有一定的取向度,颗粒是没有被完全碾碎的基体材料。(6)炭/炭复合材料摩擦表面除了形成非晶结构为主的摩擦层外,还在其上形成一层厚度不到200nmm的摩擦膜。摩擦膜以条带状结构分布,条带厚度大于带间区域,两个相邻条带之间的距离为150-300nm。条带中高度取向性的石墨片层规则、有序的叠加在一起,叠层厚度超过20nm。带间区域结构混乱,晶粒细小,取向随机,晶粒之间存在非晶碳。(7)利用有限元分析方法仿真了具有微凸体的试样在摩擦过程中的温度分布,并得到实验验证。摩擦过程中粗糙表面微凸体的最高温度远大于摩擦平面,瞬时的高温和摩擦剪切力的作用使微凸体被应力石墨化。拉曼光谱结果证实了摩擦表面石墨化度变化的现象。