三维正交复合材料作为三维编织复合材料的重要分支,是指在相互垂直的经纱纬纱面的厚度方向引入Z纱,理想状态下纤维在整个编织结构内呈现相互垂直的正交排布的复合材料,具有结构简单、生产方便、层间剪切强度高以及缺口敏感性低的特点,具有极大的发展前景。运用真空气压浸渗技术制备三维正交-Cf/Al复合材料,具有制备与成型一体化程度高和复杂结构件成形性好的优点,制备的复合材料具有优良的综合性能;但目前依然存在界面强度控制困难、复合材料内部存在较大残余应力等问题,直接影响到金属基复合材料的性能和稳定性。深冷处理能明显提升材料的强度和耐磨性,同时也能改善材料的均匀性和尺寸稳定性,并具有操作简单、成本较低以及清洁无污染的特点。本文主要研究深冷处理工艺对三维正交-Cf/Al复合材料微观组织与力学性能的影响。本文以M40J碳纤维为增强体,以ZL301铝合金为基体,采用真空气压浸渗技术制备三维正交-Cf/Al复合材料,并以液氮为制冷剂对复合材料进行深冷处理实验。对深冷处理后的复合材料致密度、显微组织、残余应力、微观硬度、界面结合强度以及拉伸强度进行测试表征。着重研究深冷处理保温时间和深冷处理循环次数对三维正交-Cf/Al复合材料微观组织与力学性能的影响,并对其作用机理进行了初步探讨。得到以下研究成果:铸态下复合材料内部可以观察到一定的纤维偏聚现象,纤维的表面轮廓凹凸不平,并呈现出“豌豆”状的特征,随着深冷处理保温时间和循环次数的提升,纤维的偏聚现象得到缓解,纤维表面轮廓变得圆滑,并由“豌豆”状逐渐恢复圆整。深冷处理可以明显改变复合材料基体侧残余应力的分布。铸态下复合材料的残余应力值为+185.4MPa,随着深冷处理保温时间和深冷处理循环次数的增加,复合材料残余应力的状态逐渐由铸态下受拉应力向受压应力转变,当深冷处理保温时间为36h时,残余应力降至+115.7MPa,随后其下降速率趋缓;当深冷处理循环次数达到7次时,复合材料基体侧残余应力达到-267.3MPa。铸态下复合材料内部的应力条纹粗大而无明显规律,且主要分布在界面上;单次深冷处理后应力条纹变得细小,且呈现出由界面向基体扩展的趋势;当深冷处理循环次数达到7次时,由于位错缠结作用复合材料内部观测到亚晶的出现。XRD测试结果表明,单次深冷处理不会改变复合材料衍射峰主峰的位置;相比较铸态及其它循环次数的衍射峰的主峰均出现在38.5°位置,深冷处理循环7次时衍射峰的主峰出现在44.8°处,这表明内部较大的应力造成了铝基体内部晶面的转向。循环深冷处理对复合材料纤维束间基体的微观硬度影响不大,而复合材料纤维束内的基体合金和界面处的微观硬度则随着深冷处理循环次数的增加而逐渐升高,并分别在循环次数为9次和7次时达到峰值分别为305.9HV和515.9HV,这可能是因为位错强化的作用使复合材料纤维束内和界面处微观硬度获得提升。单向密排Cf/Al复合材料的平均横向拉伸强度（界面强度）随着深冷处理循环次数的增加而逐渐增加,铸态下复合材料的平均横向拉伸强度为10.39MPa,当深冷处理循环次数达到9次时复合材料的平均横向拉伸强度为13.33MPa,相比铸态下提升了28.3%。深冷处理可以明显提升复合材料的拉伸强度。铸态下复合材料的平均拉伸强度为735.86MPa。随着深冷处理保温时间的增加复合材料的拉伸强度逐渐增加,并在保温时间为36h时达到最大值为825MPa,相比铸态条件提升了12.1%;随着深冷处理循环次数的增加复合材料的拉伸强度逐渐增加,并在循环次数为7次时达到最大值为885.89MPa,相比铸态条件提升了20.39%。铸态下复合材料的平均弹性模量为105.94GPa,单次深冷处理后复合材料的平均弹性模量随着深冷处理保温时间的增加逐渐增加,并在深冷处理保温时间为36h时达到峰值为130.24GPa。三维正交-Cf/Al复合材料多次循环深冷处理后,平均弹性模量稳定在120GPa,相比铸态下提升了13.27%。对三维正交-Cf/Al复合材料进行单次深冷处理,其力学性能的强化起主导作用的是残余应力的降低以及微观孔洞的弥合;对于多次深冷处理,力学性能的强化主要是由于基体侧残余应力状态的转变、界面强度的适度提高以及位错密度的提升共同作用的结果。