随着高超声速飞行器技术的飞速发展,对热防护材料与结构技术提出了更高的需求,在极端的热、力、氧耦合环境下长时稳定服役的新型热防护材料成为了研究的重点。现阶段,连续碳纤维增韧超高温陶瓷复合材料已经实现了“抗氧化”与“强韧化”协同,为满足未来高超声速飞行器长航时、大载荷等发展需求,大幅度降低超高温陶瓷复合材料的密度,实现“抗氧化-强韧化-轻量化”协同,在高超声速飞行器领域内将具有极高的应用价值与广阔的应用前景。本研究通过梯度化结构设计,以轻质碳气凝胶作为轻量化承载层、超高温陶瓷作为抗氧化层,显著降低整体密度,以期拓宽超高温陶瓷复合材料在高超声速飞行器领域内的应用。本研究采用间苯二酚、甲醛为单体,水为溶剂,六亚甲基四胺为催化剂,自主合成浓度可调控的酚醛溶液,以低密度8 vol.%针刺碳纤维编织体作为骨架,通过调控酚醛溶液的浓度与浸渍次数,实现0.20 g/cm~3至0.78 g/cm~3不同密度梯度的碳纤维增强碳气凝胶复合材料的可控制备。对复合材料进行机械性能测试,浸渍10次酚醛溶液,密度为0.78 g/cm~3的碳纤维增强碳气凝胶复合材料的机械性能最佳,其XY向抗弯强度可达74.23 MPa,Z向抗弯强度可达85.19 MPa,XY向抗压强度可达80.88 MPa,Z向抗压强度可达95.16 MPa,较密度为0.20 g/cm~3的复合材料机械性能提高100倍以上。结合微观结构分析,验证纤维拔出、桥连、裂纹偏转、基体断裂等增韧机制;综合考虑强度与密度因素,认为密度为0.38 g/cm~3的碳纤维增强碳气凝胶复合材料为较好的轻质承载相。针对超高温陶瓷复合材料密度较高的问题,根据超高温陶瓷层与碳气凝胶层的密度,对Cf/ZrB2-SiC复合材料进行梯度化结构设计,制备了五块超高温陶瓷层厚度分别为3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm的轻质Cf/ZrB2-SiC复合材料,通过振动辅助注浆在低密度8 vol.%针刺碳纤维编织体内按需引入ZrB2陶瓷,选用聚碳硅烷作为SiC陶瓷前驱体,将聚碳硅烷在800～1400℃温度下的裂解产物进行XRD测试,通过晶型转变情况,得出最佳裂解温度为1300℃,通过前驱体浸渍裂解工艺在超高温陶瓷层内引入SiC相,通过酚醛溶液溶胶凝胶引入碳气凝胶,完成轻质Cf/ZrB2-SiC复合材料的制备试样密度均＜1 g/cm~3,最低降至0.62 g/cm~3。通过对样件进行2100～2400℃/600 s与2500℃/1800 s氧乙炔考核,轻质Cf/ZrB2-SiC复合材料表现出良好的非烧蚀特性,可以在宽温域（2100℃～2500℃）、长时间（1800 s）环境下服役,实现了抗氧化与轻量化协同。本研究通过梯度化结构设计,基于振动辅助注浆、先驱体浸渍裂解法、溶胶凝胶法成功制备轻质Cf/ZrB2-SiC复合材料,为热防护材料轻量化提供了技术支撑。