随着航天飞行技术壁垒的突破,新型高速航天飞行器恶劣的服役环境对热防护系统的性能提出了更高的要求,仅依靠设备结构设计与布局,热防护系统达不到实际应用的需求。寻找一种热导率低、耐超高温、强度较高、轻质的隔热材料对高性能航天飞行器的长寿命、长时程的飞行显得尤为重要。炭气凝胶是由炭纳米颗粒网状交联而成的三维纳米多孔材料,在保持较低密度的同时,具有低膨胀系数、低辐射热导率以及耐超高温等优点。然而,传统有机气凝胶炭化所得炭气凝胶骨架纳米粒子之间的非共价作用力较弱,导致其机械强度低、脆性大、成型性较差的缺陷,难以作为防隔热材料在航天领域单独使用。本文在研究以微孔结构为主的聚酰亚胺基炭气凝胶（CPI-Y%）制备过程中结构演变与收缩规律的基础上,采用整体成型性好的酚醛树脂基预炭化泡沫（CFX-500℃）为结构增强相,浸渍聚酰亚胺溶胶,通过凝胶一体成型、老化、溶剂置换、超临界干燥与共炭化工艺,制备出酚醛树脂基炭泡沫增强聚酰亚胺基炭气凝胶复合材料。炭化过程中预炭化泡沫与聚酰亚胺气凝胶产生同步收缩,显著减小了两相界面间隙,提高了泡沫增强体与气凝胶基体的收缩匹配性,获得无明显裂纹的炭泡沫增强炭气凝胶复合材料。具体研究结果如下:（1）为获得热导率低、收缩率小的聚酰亚胺基炭气凝胶,研究了溶胶浓度与炭化温度对炭气凝胶物化性能与微观结构变化的影响规律。炭气凝胶的收缩率、残炭率以及密度均随溶胶浓度的上升出现增大。采用5%与7.5%的低溶胶浓度制备的炭气凝胶呈现纤维网状的交联结构,微孔结构相对发达。随着溶胶浓度的增大,炭气凝胶的比表面积与平均孔径尺寸减小,骨架颗粒尺寸增大;当溶胶浓度增大至10%与12.5%时,炭气凝胶出现致密化的微观形貌,纳米孔结构遭到破坏。随着炭化温度的上升,5%溶胶浓度制备的聚酰亚胺基炭气凝胶具有更低的收缩率,炭纳米颗粒骨架尺寸下降。当炭化温度达到1 000℃时,炭气凝胶的比表面积达到764.169m~2/g,平均孔径降至3.372nm。因此,采用5%、7.5%溶胶浓度和1 000℃的炭化温度,有利于降低气凝胶在高温炭化过程中的收缩率,保持较为完整的三维纳米多孔结构,从而获得具有更低密度、更大比表面积、更小孔径尺寸以及更小纳米颗粒骨架的聚酰亚胺基炭气凝胶。（2）以聚氨酯泡沫为模板,硼化酚醛树脂为碳源,通过在液相浸渍烘干（PF-PU Foam-X）、氧化稳定化（PF-PU Foam-Ox-X）、高温热解（CFX-500℃）制备酚醛树脂基预炭化泡沫,研究了酚醛树脂浸渍液的质量浓度对预炭化泡沫物化性质与微观结构的影响规律。热失重过程表明氧化稳定化处理能够将热塑性酚醛树脂转化为热固性树脂,并在预炭化热解阶段稳定地附着在聚氨酯骨架上,避免在预炭化泡沫结构中产生应力和宏观缺陷;不同浓度的酚醛树脂浸渍溶液制备PF-PU Foam-Ox-X的预炭化失重率是调控泡沫收缩率的关键因素。随着酚醛树脂乙醇浸渍液的浓度的增大,PF-PU Foam-Ox-X在预炭化处理中的线收缩率、失重率减小,CFX-500℃的密度与平均孔径增大。（3）为进一步提升气凝胶基体与泡沫增强相的收缩匹配性,优化复合材料的隔热性能,本文将溶胶浓度为5%、7.5%制备的聚酰亚胺气凝胶填充至预炭化泡沫微米级孔隙结构中并进行共炭化,研究不同密度的炭气凝胶对复合材料结构与性能的影响。相较于7.5%溶胶浓度制备的复合样,采用5%溶胶浓度制备的复合样具有更小的界面间隙,更高的炭气凝胶填充率,使得复合样具有更低的高温热导率与更高的压缩强度。此外,在1000℃的炭化温度下,炭泡沫增强聚酰亚胺基炭气凝胶复合材料具有与相同条件下制备的炭气凝胶单体相近的超低热导率,但密度较纯气凝胶单体下降近50%。因此,采用5%溶胶浓度在1000℃制备下所得炭泡沫增强炭气凝胶复合样能够实现力学性能与隔热性能的同步增强,并保持材料低密度特性以满足航天热防护领域的结构-功能集成材料轻量化要求。（4）本文还对不同类型的预炭化泡沫基体制备的复合样进行研究,以分析预炭化泡沫密度对复合材料结构与性能的影响,以进一步抑制复合材料界面间隙的产生。相较于CF40-CPI5-1000℃与CF50-CPI5-1000℃,采用较低密度的预炭化泡沫制备的复合样CF20-CPI5-1000℃与CF30-CPI5-1000℃因泡沫增强体具有较高的炭化收缩率与较低的残炭率,制备的复合样品具有较小的界面间隙,使其在900℃以上的高温条件仍能保持较低的热导率,因此,抑制两相界面间隙的扩展有利于使复合材料保持更低的热导率。在1900℃下,CF20-CPI5-1000℃与CF30-CPI5-1000℃的热导率分别为0.57 W/（m·K）、0.56 W/（m·K）。此外,CF30-CPI-1000℃因为具有较高的预炭化泡沫前体密度与较小的界面间隙,显示出最高的压缩强度与弹性模量（0.532MPa,9.091MPa）。（5）结合多种技术对聚酰亚胺气凝胶、酚醛树脂基预炭化泡沫以及复合样的共炭化过程进行表征,发现气凝胶、预炭化泡沫体以及复合样主要热失重发生的温度区段相近,炭化过程中,复合样气态与固态产物的官能团与表面晶型分布较好的结合了单体相的特点,终态产物的元素组成趋近一致,表明发生了类似的脱氧、脱氮与脱氢的热解反应,有利于限制复合样中相界面的分离。