可重复使用运载器要以十几倍音速的速度穿过大气层,与大气摩擦产生的热量高达上千度,开发轻质、低成本、高可靠性、可重复使用的热防护系统(Thermal Protection System TPS)是减少气动热量进入机体内部,保护内部控制系统、电子系统和能源系统的正常运转所必备的关键技术之一。陶瓷纤维隔热材料重量轻、成本低、耐高温、隔热性能优异,已日益成为热防护系统中使用得最具发展潜力的隔热材料。然而纤维隔热材料在服役过程中,除了要经受苛刻而严酷的气动加热外,还要经受着各种环境因素,如碎片撞击、污染、雨水侵蚀、密封泄露、热短路、材料老化等,繁多的影响因素之间往往耦合作用强、变化大、条件极端,环境的变化将对热防护系统的分析与设计产生最直接的影响,材料与热环境的相互作用研究面临着极其严峻的挑战,同时,热响应问题的复杂性以及贯穿在整个服役过程中的高可靠性要求更加剧了这一矛盾,因为服役过程中飞行器内部结构温度的小量过载就可能引发无法预料的灾难性后果。本文以纤维隔热材料为研究对象,基于材料要在恶劣的高温环境下高可靠性服役的要求,从材料学、工程热物理及可靠性三个学科的角度,对纤维隔热材料的热响应行为及热性质进行了多方位的研究。跟踪了受热状态下材料的微观结构及热性质的演化过程,探讨了纤维隔热材料热辐射性质及热传导性质的确定方法,同时研究了纤维隔热材料的概率热响应过程及热可靠性评估方法。本文的主要研究内容及结论如下:第一,通过SEM、DSC、XRD、FTIR等手段研究了纤维隔热材料热处理前后的微观结构变化,结果表明:未处理的纤维隔热材料呈非晶态,表面光滑无缺陷。在980°C时析出莫来石晶体。随着热处理温度的升高,析晶过程逐步进行致使晶粒长大、结晶度增加,纤维表面变得粗糙不平,弹性降低。更高温度的热处理使纤维收缩、烧结、变脆。未处理的纤维红外光谱呈现出非晶态结构所特有的较宽的吸收谱带,而经过1000°C的热处理之后出现了莫来石晶体的特征吸收谱带。同时,对材料微结构演化所引发的材料的热性质的演化进行了考察。结果表明有效热导率实验结果在热处理前后变化并不大,而有效热导率的计算结果热处理后的比未处理态的有较为明显的增加。受热过程中材料的辐射性质演变很复杂。当达到某一温度时,晶体的析出会影响光子导热,1000℃热处理后的材料其消光系数相对于未处理材料有所降低,而经过1200℃热处理的材料消光系数又有所增加。热处理前后材料的散射反照率随着热处理温度的增加而逐渐降低。线性各向异性散射相函数的线性系数随热处理工艺的变化并不明显。热处理之后材料的传导热导率有显著的增加,并且随着热处理温度的升高,增加的幅度变大。高温热处理使材料发生析晶,结晶度的增加、晶粒尺寸的增大加大了声子散射的平均自由程,因此增加了固体热导率。此外,热处理后的材料所发生收缩和烧结增大了固体纤维之间的接触面积,因此也增加了材料中的固体传导。第二,为了研究纤维隔热材料内部辐射传热,采用测量的光谱透过率通过比尔定律计算了材料的光谱消光系数和罗斯兰德消光系数。考虑纤维隔热材料是一种吸收、发射、各向异性散射介质,对测量的热辐射性质进行了修正,定义了消光系数修正因子及等效散射反照率。建立对吸收、发射、各向异性散射弥散介质的热分析模型,并基于实验测得的瞬态热响应数据采用Levenberg-Marquardt非线性优化方法反演了材料的传导及辐射性质。采用反演的结果计算了材料的瞬态热响应及稳态有效热导率,计算与实验结果对比结果表明瞬态响应温度计算结果和实验结果的平均偏差为3.1%,而稳态有效热导率的计算结果与实验结果的平均偏差为9.8%,验证了本文所建立的纤维隔热材料传导及辐射性质的反演分析模型的可靠性。同时也证明,在中等热面温度下反演出来的传导及辐射性质结果不仅可以用来计算更低热面温度下材料的瞬态热响应,还可以向高温进一步拓展应用到980K甚至更高的温度。第三,借鉴传统的机械设计理念,建立了热防护系统热可靠性的定义及评估方法,并首次将其推广应用到纤维隔热材料的热可靠性评估中。考虑热载荷、材料热性能及几何尺寸等参数的不确定性,基于蒙特卡洛模拟的方法对气动加热条件下的纤维隔热材料进行了概率热分析和热可靠性评估。温度响应的统计特征分析表明材料的响应温度随时间和位置的变化而不断变化;再入的开始1分钟内在发生温度滑移的位置热响应的变异系数、斜度和峰度会发生突变。各输入变量与输出变量的相关系数研究结果表明气动加热温度和初始温度对所考虑的两个位置有显著的影响,而消光系数、母材比热和实密度比对纤维隔热材料的背部温升有不可忽视的影响。此外,还建立了厚度安全因子与热可靠度之间的定量关系。为纤维隔热材料的测试、评价与设计提供了有价值的定性及定量信息。