随着跨大气层飞行器设计飞行速度的提高，由气动加热导致的飞行器表面工作温度急剧升高给飞行器的热防护提出了更高的要求，而高辐射率涂层的应用为解决跨大气层飞行器热防护问题提供了一条新的途径。高辐射率涂层可以大幅提高跨大气层飞行器表面向外辐射热量的能力，以散热的方式降低飞行器表面温度。并且飞行器表面工作温度越高，高辐射率涂层起到的防热效果也就越显著。但是高辐射率涂层的研究和应用还处于起步阶段，高辐射率涂层的设计及其辐射率增强机制的研究尚待发展。针对于此，本文设计并在Ni合金基板上制备了一种基于新型混杂溶胶凝胶法的新型碳纳米管掺杂SiO2/SiO2-PbO高辐射率涂层，并且通过对该涂层的研究，总结跨大气层飞行器表面高辐射率涂层的设计方法及其辐射率增强机制，为日后高辐射率涂层的进一步设计及制备提供帮助。本文选择SiO2作为涂层母体材料，并利用正交实验优化设计了一种新型SiO2混杂溶胶凝胶法来制备SiO2母体涂层。根据材料的成分、材料的结构和跨大气层飞行器对热防护涂层的要求，再基于这种新型混杂溶胶凝胶法，通过匹配混杂SiO2底层的氧化温度与SiO2-PbO粉末的软化温度的设计，使得SiO2-PbO顶层熔化时混杂SiO2底层放出气体造成气孔，最终得到了一种新型碳纳米管掺杂SiO2/SiO2-PbO双层多孔高辐射率涂层。我们通过热重分析、差热分析和傅立叶红外光谱法综合分析了混杂和非混杂SiO2凝胶随温度的变化机制；通过电子扫描电镜观察混杂SiO2凝胶涂层与Ni合金基板截面，分析了混杂SiO2凝胶涂层与Ni合金基板热处理后的结合状况与元素扩散原因；利用X射线衍射和X射线光电子能谱对混杂SiO2凝胶涂层进行分析，确定混杂混杂SiO2凝胶涂层经长时间热处理后表面的元素分布和物相；利用混杂SiO2凝胶涂层的高温抗氧化性能评价了正交实验中各个因素，以此对混杂SiO2溶胶配方进行了优化。我们利用优化后的混杂SiO2溶胶凝胶法制备新型碳纳米管掺杂SiO2/SiO2-PbO双层多孔高辐射率涂层，并对该涂层进行研究。通过电子扫描电镜观察碳纳米管掺杂SiO2/SiO2-PbO双层涂层的表面、截面、内部结构和碳纳米管在表面的状态，还利用其X射线谱仪对每层涂层进行了元素成分测量，归纳分析了碳纳米管掺杂SiO2/SiO2-PbO双层涂层特殊结构的形成机制；利用原子力显微镜观察了碳纳米管掺杂SiO2/SiO2-PbO双层涂层表面三维形貌，分析了碳纳米管的掺杂对表面形貌和粗糙度的影响；利用硬度测试和划痕测试分析了碳纳米管和双层多孔结构对涂层硬度、韧性等力学性能的影响；最后利用黑度测试评价了碳纳米管掺杂SiO2/SiO2-PbO双层多孔高辐射率涂层在300°C和550°C的辐射能力，对比分析了碳纳米管和双层多孔结构对辐射率的影响机制。实验结果表明，混杂SiO2凝胶在热处理过程中先脱水，并且在400°C和至650°C间发生有机物的热解，其中在550°C时的热解反应最为强烈。在长时间高温热处理下，Ni合金基板中的Al、Mn元素会通过界面和多孔结构向涂层扩散并且可能形成莫来石相。通过正交实验法优化的混杂SiO2溶胶配方(以95mL即87.5g正硅酸乙酯为准)为：含硼量10mol.%，硅烷树脂15mL、正丁醇25mL、丙酮15mL。碳纳米管掺杂SiO2/SiO2-PbO双层涂层的SiO2底层热解与顶层SiO2-PbO软化同时发生使得顶层具有多孔结构。所掺杂的碳纳米管未发生明显团聚并向表面聚集，一部分碳纳米管暴露在涂层表面使得涂层表面变粗糙。碳纳米管掺杂SiO2/SiO2-PbO双层涂层在300°C和550°C下具有很强的辐射能力，并且碳纳米管的掺杂和涂层的多孔结构均被证实可以显著地提高涂层的辐射率。碳纳米管掺杂SiO2/SiO2-PbO双层涂层在550°C下测得的辐射率(与实测黑体腔相比)高达0.94。通过对碳纳米管掺杂SiO2/SiO2-PbO双层高辐射率涂层的研究，本文将高辐射率涂层的辐射率增强机制概括为辐射率本征增强机制、辐射率表面增强机制和辐射率界面增强机制。