C/C复合材料由于其优异的性能已被作为一种高性能新型材料,广泛应用于航天航空领域。制备C/C复合材料的CVI工艺是目前国内外研究的热点课题之一。炭纤维预制体的结构对CVI过程中气体的传质和C/C复合材料的性能有着重要的影响。在充分了解预制体的孔隙结构对CVI过程中气体传质的影响以及预制体结构对C/C复合材料性能的影响的基础上,根据不同的应用需要选择和设计合适的纤维预制体结构以增加致密化速度,降低制备成本和提高材料性能具有重要意义。本研究采用全网胎针刺、无纬布/网胎针刺、三维细编穿刺三种炭纤维预制体(以下分别用A、B和C代表由这三种预制体制备的复合材料),通过压差式CVI工艺方法制备了C/C复合材料,研究了预制体孔隙结构对CVI工艺致密化过程及基体热解炭微观结构的影响;同时,测试了材料的弯曲性能、剪切性能和导热性能,探讨了预制体结构对C/C复合材料力学性能和导热性能的影响。同时建立了三维正交结构、全网胎针刺和无纬布/网胎针刺炭纤维预制体三种炭纤维预制体的孔隙结构几何模型和CVI工艺过程中气体流动传质数学模型,从理论上研究了预制体的孔隙结构对CVI工艺致密化过程的影响,并对理论计算结果进行了实验验证。主要结论如下:(1)预制体的孔隙网络结构和形状是决定反应气体在孔隙中传质速率和材料最终致密度的主要因素之一。其中,材料A在单位时间内的平均增重率最大,材料B次之,材料C最小;而当材料A和B的致密度随着基体的沉积达到与材料C相等后,材料B的平均增重率最大,C次之,A最小;材料C的密度始终最大,B次之,A最小;(2)基体热解炭的结构与预制体孔隙结构无直接关系。材料A内沉积的热解炭的厚度大于材料B和C;对于材料B和C,网胎层内纤维四周沉积的热解炭厚度大于无纬布层纤维束之间的热解炭厚度;(4)复合材料A的弯曲强度和剪切强度均远低于材料B和C;材料A表现出脆性断裂的特征,材料B和C表现出较好塑性和韧性,且弯曲断裂应力-应变曲线和剪切断裂应力-位移曲线在达到最大值后均呈台阶状下降,表现出分层断裂的特征;纤维束拔出、纤维拔出和纤维与基体间界面脱粘等机制有利于提高材料的断裂韧性;(5)三种复合材料平行方向的导热系数差别很小,材料C在垂直方向的导热系数小于材料A和B;(6)建立的比渗透率物理模型和数学模型合理;气体传质过程是影响热解炭沉积速率的主要因素之一;三维正交结构炭纤维预制体的比渗透率随X、Y和Z三个方向纤维束直径变化而变化;全网胎针刺炭纤维预制体的比渗透率开始时比较大,当其致密度随基体的沉积增大到与无纬布/网胎针刺炭纤维预制体的致密度相等时,其比渗透率小于无纬布/网胎针刺炭纤维预制体;复合材料的最终致密度不能达到100%。