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热防护材料的研制是保障高超声速飞行器在极端环境下安全服役的关键技术之一,美国、日本和俄罗斯等国大量研究表明,防热材料表面催化再结合反应最高可使得表面热载荷增大50%,对热防护系统设计由显著影响。防热材料表面催化特性是一种本征属性,减少因催化再结合反应而产生的热载荷需要从材料本身出发,探究反应机理,进而实现表面催化特性的主动调控,降低热防护系统的热载荷。目前虽然可通过地面风洞、Optical Emission Spectroscopy（OES）和Laser Induced Fluorescence（LIF）光谱诊断方法实现材料表面催化特性的实验测试,但是受到实验能力、成本的限制,仅能获得部分典型温度和压力下的催化系数,基于实验测得的离散的数据不能满足实际工程的需求。因此,需要利用数值模拟方法获得任意状态下防热材料表面催化系数,以达到对飞行器服役过程中表面催化热预报的目的。此外,防热材料使用过程中伴随的氧化反应将严重影响表面催化效应的表征与建模。以ZrB2-SiC为例,ZrB2-SiC表面在10-1s内即可形成10-10-10-9m厚的稳定氧化层,基体材料表面已完全被氧化产物所覆盖,而实际参与表面催化再结合反应的空间区域为10-10m。因此,实际发生催化再结合反应的材料为氧化产物,已非基体材料,研究结果也表明高温下材料表面催化特性与氧化物催化特性接近。基于此,本文以ZrB2-SiC典型超高温陶瓷材料为研究对象,从材料在氧原子环境下实际响应出发,通过分子动力学模拟实际氧化物的催化特性,构建材料催化特性等效模型。主要从“ZrB2-SiC超高温陶瓷材料表面催化特性测试与氧化响应分析”、“基于ReaxFF的氧化物表面催化特性数值模拟与实验验证研究”和“ZrB2-SiC超高温陶瓷材料表面催化特性等效模型与关键控制机制”三个方面开展研究。（1）利用LIF实验测试方法,开展ZrB2-SiC超高温材料表面催化特性测试,获得10 Pa和100 Pa下材料表面催化系数;基于材料主要成分的氧化反应与文献分析,开展分子氧和原子氧环境下材料表面氧化产物演化规律的研究;在此基础之上,结合文献数据,在10 Pa、100 Pa和1000 Pa下,获得不同温度区间下材料表面主要氧化产物,以近似表征该状态下材料的催化特性。（2）基于分子动力学原理,构建块状a-SiO2表面,计算表面结构特征和相关函数,与实验值进行比较,验证ReaxFF数值模拟的有效性。在此基础之上,构建a-SiO2表面,加入通量边界条件,确定表面位点类型和浓度;基于a-SiO2催化反应机理,建立其有限速率催化模型。通过对催化反应机理中单个反应事件的ReaxFF模拟,得到a-SiO2表面催化特性随温度、压力的关系。对比分析实验与模拟结果,验证有限速率催化模型;利用这一模型,对ZrO2、B2O3进行模拟,获得这两种氧化物催化特性随温度、压力的关系。（3）在由LIF测得的ZrB2-SiC表面催化系数、ZrB2-SiC表面氧化分区情况以及模拟计算得到三种氧化物表面催化系数基础之上,利用数学物理方法,构建ZrB2-SiC超高温陶瓷材料表面催化特性等效模型;并利用文献中ZrB2-SiC超高温陶瓷材料表面催化特性测试结果对催化特性等效模型验证。实现非特定环境下催化特性预报研究;此基础之上结合ReaxFF-有限速率催化模型,研究ZrB2-SiC材料催化特性关键控制机制,揭示材料催化机理。本文通过LIF实验、基于ReaxFF的分子动力学模拟建立了考虑氧化反应的催化特性等效预报模型,揭示了材料表面氧原子催化再结合反应关键控制机制,研究结果直接为热防护系统的气动热计算提供边界条件,可大幅度提升热防护系统精细化设计能力,方法和模型可扩展至其他防热材料体系。