连续碳纤维增强铝基复合材料(Cf/Al)以其高比强度、高比刚度等优良的空间特性,已经成为优异的航天器件备选材料,其产品缺陷检测及质量评价已成为不可缺少的环节。实际构件中缺陷的存在是不可避免的,因此其可靠性、服役损伤容限设计变得至关重要。本文利用传统超声波检测方法对超声波信号进行参数化Chirplet(线调频小波)分解,从而对Cf/Al复合材料缺陷进行高清晰识别和表征;利用金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)等手段对Cf/Al复合材料缺陷特征进行分析并分类;采用电子拉伸机及扫描电镜原位观察技术等分析测试方法,系统研究了层状缺陷(铝聚集层、夹杂、分层)和圆孔缺陷对Cf/Al复合材料的拉伸、压缩力学性能及损伤失效机理的影响,进一步通过有限元分析方法和剩余强度预测模型对含层状缺陷和圆孔缺陷的Cf/Al复合材料的剩余强度进行了预测。在Cf/Al复合材料内部制备了铝聚集层、夹杂和分层三种层状缺陷,对三种层状缺陷的超声波信号进行Chirplet分解,提取出Chirplet参数变化量(中心频率和相位)作为表征缺陷的特征参数。深入分析了层状缺陷类型、埋藏深度(埋深)、厚度和缺陷边边缘的Chirplet参数变化量的特征,发现三种类型层状缺陷的特征参数明显不同;随着层状缺陷埋深的增加,Chirplet参数变化量基本不变;随铝聚集层厚度增加,Chirplet参数变化量单调变化,但是存在一个临界厚度(0.27mm);层状缺陷的边界对Chirplet参数变化量的影响敏感。通过对缺陷信号的Chirplet分解,编制了计算软件,实现了缺陷的Chirplet幅度、埋深、中心频率和相位四种C扫描成像。结果表明,幅度C扫描能提高图像的对比度;埋深C扫描能给出缺陷在试件中的埋深分布;而中心频率C扫描和相位C扫描使缺陷的边界特征明显;相位C扫描提高了对缺陷细节特征的分辨率,更加准确的表征分层扩展过程。在实现对Cf/Al复合材料缺陷的超声波检测的基础上,研究了铝聚集层、夹杂、分层和圆孔对Cf/Al复合材料拉伸和压缩强度的影响。在本试验条件下,人工制备的铝聚集层和夹杂使Cf/Al复合材料的拉伸强度分别下降了15.8%和35.2%,压缩强度下降了23.1%、50.5%,分层使压缩强度下降了47.9%。Cf/Al复合材料的拉伸和压缩强度与圆孔直径呈指数关系下降。通过有限元分析对含层状缺陷Cf/Al复合材料的分析表明:在拉伸载荷下,夹杂边缘过渡区的轴向和剪切应力集中比铝聚集层更为严重;应力分布不随层状缺陷的横向尺寸的增加而变化,采用最大应力准则对含层状缺陷Cf/Al复合材料剩余拉伸强度进行估算,与试验结果相吻合。在压缩载荷下,夹杂边缘过渡区横向应力集中最严重,分层次之,铝聚集层最小;采用最大应力准则估算的剩余压缩强度结果与试验值基本吻合。采用点强度准则(PSC)、平均强度准则(AVC)、损伤区准则(DZC)和有效裂纹扩展模型(ECGM)对含圆孔Cf/Al复合材料试样的剩余拉伸强度进行预测,结果表明,圆孔直径与试样宽度之比(D/W)在0.05~0.5的整个测试范围内,ECGM和DZC预测结果与试验值一致;当D/W>0.2时,PSC和AVC的预测结果误差较大。对剩余压缩强度的预测结果表明,PSC和AVC在D/W>0.2时,预测结果也存在较大误差。采用扫描电镜原位观察了在拉应力下,含缺口、铝聚集层和夹杂单一缺陷Cf/Al复合材料的失效破坏过程。结果表明,铝聚集层具有较好的韧性和强度,能够缓解复合材料内部主裂纹前端的应力集中,从而阻碍裂纹的扩展,延缓了Cf/Al复合材料的失效破坏。夹杂因较低的强度使裂纹垂直传播,并穿过夹杂和复合材料的界面,造成复合材料的瞬间失效破坏。同时也原位观察了在压应力下,含铝聚集层、夹杂和分层三种单一缺陷Cf/Al复合材料的压缩失效过程。结果表明,Cf/Al复合材料的压缩失效机理主要包括纤维的微屈曲和界面分层。含夹杂和分层复合材料的压缩失效主要是屈曲分层。而含铝聚集层复合材料的压缩失效是纤维微屈曲破坏和屈曲分层两种失效机制的共同作用。超声波Chirplet参数C扫描实现了对含铝聚集层、夹杂和分层Cf/Al复合材料压缩载荷下损伤扩展过程的表征,相位C扫描对损伤扩展过程的表征更加清晰。