题目：热防护系统隔热材料力学性能研究

热防护技术是高超声速飞行器的关键技术之一。而隔热材料的发展和结构理念的创新是推动热防护技术发展的重要支柱。轻质、低导热率气凝胶隔热复合材料有望应用于热防护系统中，作承载隔热材料使用。它的应用可大大提高热防护系统的隔热效率、降低热防护系统的结构质量、增加飞行器的有效载荷。承载/热防护功能一体化结构，是热防护系统发展的重要方向。它的应用可以有效降低飞行器的制造成本、节省飞行器重复使用的维护时间、提高飞行器的结构效率。在本文中，作者针对气凝胶隔热复合材料和一体化热防护结构，开展了力学行为研究，获得了它们的宏观力学性能参数，揭示了微观结构与宏观性能的关系，建立了能够描述宏观力学性能的力学模型，为它们的应用奠定了重要基础。论文的主要研究内容如下：

（1） 针对低强度、低模量、各向异性、各向尺寸差异大的气凝胶隔热复合材料，开展了力学性能测试方法研究，基于非接触的数字图像相关法，探索了气凝胶隔热复合材料的非均匀、小应变场的测量方法，建立了一套能够测试其力学性能的试验技术，比较全面地获得了气凝胶隔热复合材料的力学性能；

（2） 研究了气凝胶隔热复合材料的微观结构随着温度和压缩载荷的演变规律，揭示了气凝胶隔热复合材料的各向异性、非线性和拉、压不对称性等宏观力学性能的微观机理，探索了气凝胶隔热复合材料的纤维增韧机理，发现了气凝胶基体裂纹的偏转和界面的脱粘可能是其压缩增韧的主要机理；

（3） 针对低强度、小模量、拉-压不对称材料的弹性模量测试难的问题，提出了一种采用梁弯曲试验计算双模量材料的拉伸和压缩模量的方法，并采用该方法对气凝胶隔热复合材料的拉伸和压缩模量进行了计算，获得了与试验数据较为一致的结果，证明了该方法的有效性；

（4） 针对热防护系统的设计需求，开展了气凝胶隔热复合材料的室温长时蠕变和高温短时蠕变行为的研究，揭示了气凝胶隔热复合材料的高温蠕变机理，针对典型热防护结构，分析了气凝胶隔热复合材料的蠕变性能对TPS结构完整性和变形行为的影响；

（5） 针对Iosipescu剪切试样测试区域的应力状态与材料性能密切相关的特点，开展了双模量材料的Iosipescu剪切试样设计，提出了双模量材料Iosipescu剪切试样的设计方法；

（6） 研究了缝合三明治热防护结构的力学行为，获得了其室温力学性能参数，采用解析法建立了能够预测其弹性模量的细观力学模型，基于有限元方法，建立了能够描述缝合三明治结构非线性、拉、压不对称性和各向异性的细观力学模型，初步探讨了大面积缝合三明治结构的工程建模方法。