针刺技术可以将无纬布、网胎等纤维复合料铺层中的面内纤维引入到厚度方向,形成一种独特的三维网状预制体。针刺预制体克服了二维纤维结构层间性能弱的缺点,具有更高的损伤容限。针刺技术工艺简单、可设计性强,能够制备各种大尺寸、复杂形状的预制体,是一种高技术含量的三维预制体成型技术,目前已经在碳纤维预制体成型工艺中占据重要地位。由针刺预制体制备的C/C和C/C-Si C等复合材料可广泛应用于航空刹车盘、固体火箭发动机喷嘴喉衬、出口喷管及工业高温炉、高温坩埚等领域。但针刺工艺的特点导致预制体纤维结构十分复杂,针刺部位的微细观结构存在一定的不确定性,针刺过程造成纤维不同程度的损伤,使得材料的宏观力学性能存在较大离散性,已成为限制其应用的瓶颈问题,因此本文从材料微细观结构观测和宏观力学实验出发,建立针刺工艺、纤维结构和针刺复合材料力学性能之间的关联机制,研究材料的非线性力学行为和宏观力学性能的离散性。本文首先介绍了针刺预制体成型工艺,利用SEM和光学显微镜等观测手段分析碳纤维无纬布/网胎针刺预制体及针刺C/C-Si C复合材料的微细观形貌以及纤维走向,开展力学实验研究针刺复合材料的宏观力学行为并根据断口分析材料的微细观损伤机制。针刺复合材料的纤维结构取决于布针形式和针刺密度、深度等成型工艺参数,针刺工艺的复杂性导致材料微细观结构十分复杂、局部针刺部位纤维结构存在不确定性。本文根据针刺工艺,从细观尺度研究了预制体成型过程,提出了针刺预制体成型工艺数值模型。基于形貌观测,将材料纤维结构总结为四种典型代表区域,并提出四种代表体积单元预报材料局部区域的刚度性能。建立针刺复合材料周期性单胞模型,利用局部区域刚度性能、通过体积平均法对针刺复合材料进行刚度预报。研究了针刺密度、深度和布针形式等针刺工艺参数对复合材料刚度性能的影响规律。实验表明,针刺复合材料呈现出明显的塑性应力-应变关系,本文结合相关联流动法则和幂次型硬化法则描述材料塑性应变演化规律。提出损伤状态函数和三个损伤变量描述材料的刚度退化,并引入热损伤变量,分析温度对材料拉伸行为的影响。最终建立一种塑性-损伤相结合的宏观非线性本构模型。本文提出的模型可以准确的预报偏轴拉伸、剪切等载荷条件下材料沿不同主方向的应力-应变关系。将该模型嵌入到有限元子程序中可以模拟复杂几何尺寸部件的力学行为。针刺复合材料力学性能离散性与针刺预制体工艺参数有很大关联,主要由试样中针刺部位的随机分布和针刺部位力学性能的不确定性引起。基于预制体成型工艺数值模型,通过数值方法预报试样宏观力学性能的离散性。定量化的分析了针刺复合材料力学性能离散系数随试样尺寸和针刺密度、深度、布针形式等工艺参数的变化规律。确定了合理的试样尺寸,并指出了影响材料力学性能离散性的主要控制参数。本文揭示出针刺工艺参数、预制体纤维结构和复合材料宏观力学性能之间的关联机制,明确针刺工艺参数对复合材料刚度、强度等力学性能及力学性能离散性的影响规律,得到材料的损伤机理和非线性本构关系。论文的工作将对针刺预制体工艺设计提供有力的指导,促进针刺复合材料的工程应用。