采用碳纤维或石英纤维等其他高性能纤维制作而成的针刺毡,是三维针刺复合材料的主要原材料。针刺毡的加工流程简单、自动化程度高,不仅可以显著提高三维针刺复合材料的层间性能,还可以使其降低生产成本、缩短加工周期。随着此类针刺毡的应用越来越广泛,深入研究它们的结构、性能变得越来越重要。本文通过对碳纤维针刺毡的结构分析建立了其三维模型,并进一步研究了碳纤维针刺毡增强复合材料的弹性性能、层间剪切强度及导热性能,主要内容包括:(1)采用随机取样法对三种碳纤维针刺毡中的纤维长度做了统计分析,提出纯弯梁模型来模拟碳纤维在针刺毡中的非伸直状态。基于两组分二参数混合Weibull分布对纤维长度和弯曲半径的测量数据进行了拟合,验证结果表明曲线具有较高的拟合度。纤维取向的测量结果表明,碳纤维在针刺毡平面内基本是均匀分布的。通过以上工作实现了对碳纤维针刺毡内部结构的参数化表征。(2)针对伸直纤维和弯曲纤维分别建立了碳纤维模型,并在此基础上建立了纤维生长模型。提出了纤维移动法,它通过纤维的不断移动来寻找模型中的合适位置,避免与模型中已有纤维相交。利用Python语言编写建模脚本文件,然后在商业有限元软件ABAQUS中执行,最后基于统计数据建立了碳纤维针刺毡的三维模型。(3)建立了三种碳纤维针刺毡的三维模型,分别是封闭模型、开放模型和裁剪模型。提出了多种方法对不同尺寸裁剪模型的结构参数做了全面的统计和分析,结果表明,随裁剪模型尺寸增加,纤维的平均长度也不断增加。分析结果和裁剪模型可以用来预测碳纤维针刺毡增强复合材料的弹性性能。模拟了包括压缩过程和针刺过程的预针刺工艺,研究了针刺作用下纤维的移动路径、纤维形貌以及纤维之间的相互作用。(4)对碳纤维针刺毡增强复合材料的弹性性能进行了实验分析和理论预测,探讨了裁剪尺寸对复合材料纵向拉伸性能的影响。结果表明,在一定范围内,碳纤维针刺毡增强复合材料的弹性性能随样品尺寸的增加而减小。在建立复合材料的三维有限元模型时,采用了嵌入单元技术,并提出了等效浸胶纤维束的概念。与混合律和夹杂理论比,采用有限元方法的预测结果更接近实验值。预测结果从侧面验证了碳纤维针刺毡三维模型的有效性。(5)对三种2.5D机织物层合复合材料力学性能的分析结果表明,加入碳纤维针刺毡会显著提高复合材料的层间剪切强度,针刺作用则会使层间剪切强度进一步提高。三种复合材料的层间失效机理各不相同。碳纤维针刺毡的加入使2.5D机织物层合复合材料的平面内力学性能得到了小幅提升,但是针刺作用会使平面内力学性能大幅下降。(6)基于瞬态热线法对复合材料的导热系数进行了测量,研究了针刺毡对复合材料导热性能的影响。三维针刺石英纤维增强复合材料导热系数的测量结果表明,复合材料的导热系数随着石英纤维体积含量的提高而提高,无纬布纤维的含量和取向也会影响三维针刺石英纤维增强复合材料的导热性能。此外,研究了碳纤维针刺毡对2.5D机织物层合复合材料导热性能的影响,结果表明,碳纤维针刺毡的加入会提高复合材料的导热系数,但针刺作用导致了导热系数的小幅下降。