● 摘要
热防护系统是高超声速飞行器的关键部件之一，被动式热防护系统是目前国内外应用最广泛的大面积热防护方案，而隔热材料的选取对被动式热防护系统的防热效果影响甚大。既能满足工程防/隔热需求，又具有一定的承载能力，是对隔热材料选取的基本要求。国防科技大学的冯坚、曹峰制备了一种集承载/隔热/防热功能于一身的一体化复合材料，有望应用于热防护系统。而这是一种新型的材料，将其应用于热防护系统面临着许多难题。在本文中，作者制定了一体化复合材料的力学性能测试方案并开展了相关试验，获得了它们的宏观力学性能参数，并对其在不同环境、不同载荷下的破坏模式有了初步认识，并且以一体化复合材料梁弯曲问题为例，开展了结构分析工作，为一体化材料的应用奠定了重要基础。
首先，开展了室温环境下的力学性能测试，认识到：（1）面内拉伸性能呈明显的非线性特征，防热层面板的陶瓷脱落和纤维拔出是导致其非线性的主要原因，承载层面板的断裂导致结构完全失效；（2）面内压缩模量仅为面内拉伸模量的43%，拉压不同性的特点明显，防热层面板局部屈曲是导致结构面内压缩失效的主要原因；（3）面外压缩行为与芯层气凝胶相似，但力学性能指标高于芯层材料；（4）一体化复合材料承受“正向压缩”弯曲的能力更强，防热层面板局部压溃现象是室温环境下结构弯曲失效的主要原因；（5）一体化复合材料存在室温长时蠕变，但蠕变应变量很小，与芯层材料接近，在工程应用中，可用芯层材料的蠕变参数进行简化计算。
其次，开展了高温环境下的力学性能测试，认识到：（1）高温面内压缩性能随温度升高而升高。温度会改善其局部屈曲现象，但会导致界面强度降低；（2）弯曲性能随温度呈先升高后降低的趋势，其结构弯曲失效在600℃以下呈局部压溃主导， 温度高于600℃时，界面开裂成为主要因素。破坏模式的转变是其弯曲性能变化的主要原因；（3）在一体化材料的两种备选芯层材料中，基体的裂纹萌生和扩展是导致纤维增强氧化铝气凝胶蠕变行为的主要原因；工程应用中，氧化铝气凝胶适用于高温隔热领域(温度高于800℃)，而氧化硅气凝胶在低温隔热领域(温度低于600℃)更适用。
最后，以一体化复合材料梁弯曲为例，分别以解析方法和有限元方法开展了结构分析工作，与试验结果进行了对比。研究发现：本文所提的解析方法能很好的预测其弯曲性能参数，误差满足工程使用需求；所提的有限元分析方法与实验结果相比偏保守。
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