纤维增强复合材料及其点阵结构由于具有高比刚度,高比强度等特性,因而在航空航天,交通运输,建筑,国防等领域得到了广泛的应用。近年来随着航空航天领域的深入发展,民航飞机,高超声速飞行器,卫星,空间站等结构在复杂的温度环境中服役,因而材料和结构在不同温度环境下的应用及轻量化设计问题日益突出。目前存在许多聚合物基复合材料方面的研究,然而表征其非线性行为仍然是个挑战。陶瓷基复合材料作为热结构的候选材料之一,其应力-应变行为存在更为显著的非线性,但是由于其制备工艺困难、超高温实验设备研发成本高以及非线性机理复杂等原因,超高温本构研究尚无报道。而轻质超低导C/C复合材料的研究主要集中在材料制备和性能表征上,由于其微结构复杂,因而在数值仿真方面,模型重构是重大的难题。另外,目前点阵结构的研究主要集中在金属和聚合物基复合材料上,对于陶瓷基复合材料点阵结构的研究还处于起步阶段。本文主要研究纤维增强复合材料及其点阵结构在不同温度下的力学行为,从理论上推导纤维增强复合材料的非线性本构模型,从制备工艺到实验性能测试和数值仿真计算多层面系统研究了纤维增强复合材料及其结构的力学行为和热学性能。针对单向纤维增强聚合物基复合材料（Unidirectional fiber reinforced polymer matrix composites,UD FRPC）,建立了弹塑性损伤耦合唯象本构模型。该本构模型认为单向纤维增强聚合物基复合材料的非线性变形过程包括塑性硬化和塑性损伤耦合软化过程。首先提出四参数屈服准则来判断材料是否进入塑性硬化阶段,该准则考虑了横向各向同性、拉压异性以及横向压缩载荷对剪切屈服强度的影响。然后以Puck失效理论判断材料是否发生了损伤。采用返回映射法保证每一次应力迭代都落在塑性屈服面上。该本构模型能够应用在聚合物基编织复合材料的细观模型数值仿真分析上。另外,还推导了单向纤维增强聚合物基复合材料基体屈服和失效统一理论,该理论准确预测UD FRPC基体的失效包络线。针对C/SiC编织复合材料,首次建立了超高温无氧非线性唯象本构理论,该理论考虑了拉压异性、单边裂纹闭合效应、正交各向异性以及热硬化效应。该理论认为C/SiC编织复合材料的非线性来源于材料内部微裂纹的萌生、扩展,在无氧超高温环境下,温度小于一定值时,温度对裂纹密度影响不大,裂纹的形成、演化只与应力状态有关。压缩应力抑制非线性（裂纹扩展）,而拉伸或剪切应力分量则导致非线性行为。在无氧环境下,温度升到至一定值时,C/SiC编织复合材料的非线性降低,也就是热硬化效应。制备了碳粘结碳纤维（Carbon bonded carbon fiber,CBCF）复合材料和渗透Al₂O₃-SiO₂气凝胶的CBCF复合材料（CBCF/Si-Al aerogel）。测试了CBCF和CBCF/Si-Al aerogel在高温下的隔热性能和压缩力学性能。SEM观察图和实验结果表明,CBCF在微结构、热导率和力学性能存在显著的各向异性特性。CBCF在xy方向上的弹性模量和压缩强度要比z方向的要高,而隔热性能则恰好相反。渗透Si-Al气凝胶得到的CBCF/Si-Al aerogel在力学性能和隔热性能都得到了显著的提高。另外,本文还提出了生成纤维长径比超过100的三维随机纤维网络的算法,该算法能够真实重构CBCF的微观结构。利用该算法重构的CBCF模型进行传热分析。采用热压成型和PIP工艺制备了不同芯子倾角的C/SiC点阵夹芯板。对C/SiC点阵夹芯板进行力学（面内压缩、面外压缩和三点弯曲）以及热学实验测试。从理论、实验和数值仿真三方面系统研究了C/SiC点阵结构在面内压缩和面外压缩的失效行为和失效模式。设计了C/SiC点阵热防护系统,实现隔热承载一体化设计。提出结构效率概念作为评价点阵式热防护系统热学和力学综合性能的指标。研究结果表明,芯子倾角为30°时,点阵热防护系统综合性能最好。