碳纤维增强碳基体(Carbon fiber reinforced Carbon composites,C/C)复合材料具有低密度、高强度、高导热性、低膨胀系数、耐摩擦,以及良好的抗热冲击性能等优点,被广泛应用于航空航天和汽车工业领域。与传统的C/C复合材料不同,三维针刺C/C复合材料是由采用针刺工艺制备的预制体与热解碳基体相结合形成的复合材料。相比于常见的二维铺层C/C复合材料,三维针刺C/C复合材料克服了层间强度弱的缺点。与整体碳毡C/C复合材料相比,其力学性能和抗烧蚀性能得到显著提高。三维针刺C/C复合材料以其优异的力学性能和较高的工程可靠性,在航空航天复合材料领域得到高度的重视。因此开展其微结构建模及力学性能预测研究有着重要的工程意义与应用价值。建立合理的三维针刺C/C复合材料微结构模型是开展复合材料的弹性性能预测、损伤分析以及关键参数优化设计的基础。微结构模型建立的是否恰当会直接影响预测结果的准确性。本文基于三维针刺C/C复合材料的预制体微观结构,首先通过“两步法”建立了单向纤维增强复合材料、随机分布短纤维增强复合材料的几何模型,其次构建了整体三维针刺C/C复合材料的几何模型。以三维针刺C/C复合材料微观几何模型为基础,开展其弹性性能预测。运用随机夹杂复合材料的Mori-Tanaka方法与基于应变能量的有限元方法对单向纤维增强复合材料的弹性性能进行了预测。运用随机夹杂复合材料的Mori-Tanaka方法对随机短纤维增强复合材料的弹性性能进行了预测。运用基于应变能量的有限元方法对整体复合材料的弹性性能进行预测。数值计算的结果与实验结果进行了对比验证。结果表明:短纤维网胎层弹性模量的计算结果与实验结果吻合较好,且在相同碳纤维体积含量的情况下,短纤维网胎层弹性模量随着孔隙体积含量的增大而减小。整体复合材料弹性模量的计算结果,同样显示了与实验结果较好的吻合性,验证了本文计算方法的合理性。开展了三维针刺C/C复合材料的损伤失效分析预测工作。采用最大应力准则对90°无纬布纤维束层、针刺纤维束以及短纤维网胎层的单元进行损伤失效分析。针对0°无纬布纤维束层的单元失效,则采用ACK模型、指数退化模型、剪滞模型进行损伤分析。建立了三维针刺C/C复合材料的渐进损伤分析流程,计算得到了三维针刺C/C复合材料的损伤失效结果。针刺密度对三维针刺C/C复合材料的弹性模量和损伤失效具有显著影响。研究结果表明:对于垂直于针刺方向拉伸载荷下的三维针刺C/C复合材料平板结构,随着针刺密度的增大,其拉伸弹性模量Ex和剪切模量Gxy逐渐降低,拉伸弹性模量Ez和剪切模量Gyz逐渐升高;针刺密度的增大,将加剧复合材料的损伤,即降低复合材料的拉伸强度。三维针刺C/C复合材料的力学性能与其微结构尺寸直接相关。因此,以微结构模型的关键参数为变量,进行了该复合材料的损伤量最小化设计和拉伸强度最大化设计。研究结果表明:合理的设计针刺密度、纤维体积分数,可以有效降低该材料的损伤量,显著提高该材料拉伸强度。