有效的热防护材料是保证飞行器实现高超声速飞行的基本保障。目前,以纤维增强树脂基烧蚀材料为代表的热防护材料被认为是一种高效、可靠、成熟的热防护方式,但受限于纤维成本高、结构自重大等因素,航天器的有效载荷、机动性等受到不良影响。为此,本研究基于玄武岩纤维低成本、耐高温、优异的力学性能等特点,以及硼酚醛树脂高残碳率、优良的耐高温性等优势,提出以轻量化硼酚醛树脂为基体,玄武岩纤维为增强相,设计制备轻质复合材料并开展性能研究。主要研究结论如下:根据复合材料多尺度特征,引入均质化方法可实现跨尺度关联,发展出基于周期性边界条件的复合材料等效热力学性能预测方法,与文献中实验值进行对比验证,等效热学参数、等效力学参数预测误差均低于10%,具有良好的可靠性。以硼酚醛轻质树脂为基体与玄武岩纤维为增强体,基于随机算法,可建立微观尺度下不同孔径、孔分布、孔隙率下的基体有限元模型,结合建立的预测方法发现,基体中孔径越小,分布越均匀,热力综合性能越优;通过建立的微观尺度下纤维束有限元模型、细观尺度下多种工艺结构的单一/复合纤维结构有限元模型,结合发展的热力参数预测方法可知,采用斜纹纤维布与面内随机分布长纤维复合的形式,热力综合性能最优。基于优化设计后的结构以及不同浓度的硼酚醛树脂可制备玄武岩纤维增强硼酚醛树脂轻质复合材料。分析其微观形貌发现,气孔孔径较小,分布较为均匀,与优化设计结果相一致;力学性能均随着硼酚醛树脂的浓度增加而提升,其中,拉伸模量和拉伸强度最高达到857.4MPa、31.3 MPa,弯曲强度最高达到36.4 MPa,压缩强度最高达到206.4 MPa;隔热性能随着硼酚醛树脂的浓度增加而降低,导热系数由为0.035 W/（m·K）上升到0.067W/（m·K）;在氧乙炔烧蚀条件下,复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率最小分别为0.059g/s和0.141 mm/s。