连续碳纤维增强铝基复合材料（Cf/Al复合材料）具有高比强、高比模、耐高温以及低热膨胀系数等优良性能,近年来出现的2.5D结构Cf/Al复合材料不但继承了以上优点,而且可通过改变2.5D预制体结构改善并调控其宏观性能,具备很强的结构/性能可设计性,其在航宇和军工装备领域具有良好的发展潜力和应用前景。复合材料高温制备时因组元材料之间的热膨胀系数、弹性模量不匹配而产生热残余应力,这对复合材料宏观性能与承载能力有很大影响。有必要开展2.5D结构Cf/Al复合材料制备热残余应力及其分布规律研究,在此基础上分析其对复合材料承载变形损伤与失效行为机理的影响,从而为复合材料高性能设计和制备提供理论依据。本文以2.5D结构Cf/Al复合材料为研究对象,开展制备热残余应力及其对复合材料经/纬向拉伸宏细观力学行为影响的研究。首先通过建立纤维尺度的纱线微观力学模型,计算其横观各向同性热收缩和力学性能参数;基于纱线热/力学性能计算结果建立纱线尺度的复合材料细观力学模型,分析复合材料制备热收缩应变行为和制备后的热残余应力分布,并通过热收缩变形实验结果验证细观力学模型的可靠性;在考虑热残余应力条件下,通过数值模拟研究复合材料经/纬向拉伸损伤演化与断裂力学行为,并根据模拟和力学实验结果分析其失效机理;最后,采用细观力学模型分析预测2.5D机织结构参数对复合材料热残余应力和宏观力学性能的影响规律。主要研究结果如下:采用细观力学单胞有限元模型计算得到复合材料制备冷却时的宏观热收缩应变-温度曲线,与实验曲线总体上吻合程度较好,热应变实验值和计算值分布在45°等比例线附近,计算得到Pearson相关系数为0.92,细观力学模型可以很好地分析复合材料制备降温过程中的热收缩变形行为。复合材料制备完成后内部存在分布不均匀的热残余应力,且基体合金和纱线在总体上分别处于拉应力和压应力状态,复合材料内部的最大残余拉应力和压应力分别为236.88 MPa和-215.72 MPa。X射线衍射实验测得复合材料表层的热残余应力均值为166.5±46.4 MPa。基体材料的热膨胀系数对热残余应力影响最大,其次是弹性模量、屈服强度,这为复合材料基体合金的合理选择提供了指导。复合材料宏观热收缩应变随着经纱和纬纱密度的减小而增大,制备热残余应力随着经纱密度的减小而增大,随着纬纱密度的减小而减小。制备热残余应力不同程度降低了复合材料的经向和纬向拉伸力学性能,细观力学有限元数值模拟得到经向和纬向拉伸弹性模量、极限强度以及断裂应变的计算误差分别为2.05%、2.33%、-7.22%和-12.39%、-2.29%、-4.35%,基本满足工程计算需求。经向拉伸载荷下,热残余应力造成的界面局部失效与基体合金损伤进一步扩展并累积,进而先后引起纬纱开裂和经纱失效,经纱轴向断裂是导致复合材料失效的主要原因;纬向拉伸过程中,界面和基体随拉伸载荷增加先后发生失效,进而引起经纱横向开裂,拉伸后期的纬纱轴向断裂最终导致复合材料整体失效。织物结构对复合材料力学性能影响的预测结果表明,经向拉伸弹性模量、断裂应变和拉伸强度随着经纱密度的减小而减小,纬向拉伸强度、断裂应变随着经纱密度的减小而减小,而弹性模量无明显变化;经向拉伸弹性模量、拉伸强度随着纬纱密度的减小而增大,断裂应变随着纬纱密度减小而减小,纬向拉伸模量、拉伸强度随着纬纱密度减小而减小,而断裂应变无明显变化。