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炭/炭（C/C）复合材料是以炭纤维为增强相的炭基复合材料，具有低密度、高比强、高比模、热膨胀系数低、耐热冲击和耐烧蚀等一系列优异性能，使其作为空天飞行器热防护构件具有其它材料难以比拟的优势。但其较高的热导率使内部诸多子系统承受高温，不利于飞行器的安全性与可靠性。然而目前关于C/C热防护构件内部隔热层的研究报道很少。炭泡沫材料具有热导率低、轻质和耐高温等诸多优异性能，是先进高温热防护系统的理想隔热材料。本论文以实现C/C-炭泡沫防热-结构一体化为研究背景，采用酚醛树脂、沥青作前驱体合成了炭泡沫隔热材料；为进一步提高炭泡沫材料的性能，引入硅硼锆等改性组元，合成改性炭泡沫材料；在此基础上采用胶接技术连接了C/C复合材料与炭泡沫，制备了C/C-炭泡沫组合材料。采用FT-IR、SEM、EDS、XRD、Raman、TEM、HRTEM、压缩和剪切等测试手段，对树脂基炭泡沫、沥青基炭泡沫、改性炭泡沫及C/C-炭泡沫组合材料的微观结构、力学性能、隔热性能、抗热震性能和耐高温氧化烧蚀性能进行了表征，研究了改性组元的含量对炭泡沫材料性能的影响规律。主要研究内容和结果如下：以自制水溶性酚醛树脂为基体，分别引入自制酚醛空心微球和市售BJO-0930空心微球，合成了Ⅰ型与Ⅱ型树脂基炭泡沫材料；以中间相沥青为前驱体，通过高压发泡法，合成了Ⅲ型沥青基炭泡沫材料；研究了三类炭泡沫的微观结构、力学性能与高温隔热性能。结果表明：合成的三类炭泡沫材料均由闭孔空心炭微球相、炭基体相和孔隙相组成；空心微球相的引入，降低了材料的密度，提高了炭泡沫的隔热性能。其中，Ⅱ型炭泡沫的闭孔孔径较小，一般为100μm以下，密度为0.35~0.43g·cm-3。Ⅱ型炭泡沫的压缩断裂呈现梯度脆性断裂模式，应力-应变曲线主要包含弹性变形区与平台区；随着空心微球相含量的增加，其压缩断裂韧性提高，压缩强度呈现先增大后减小的趋势。Ⅱ型炭泡沫中，微球含量为70vol.%的炭泡沫（CF-70）兼具良好的力学与隔热性能：压缩强度为16.0MPa，比压缩强度为43.3MPa·cm3·g-1，800℃下的热导率为0.76W·m-1K-1。与Ⅱ型炭泡沫相比，Ⅰ型炭泡沫与Ⅲ型炭泡沫的闭孔孔径较大，因而力学与隔热性能较差。选择综合性能较好的Ⅱ型炭泡沫CF-70作改性基体，分别引入改性元素Si、B和Zr，合成了硅/硼/锆改性炭泡沫（或改性石墨泡沫）材料。结果表明：引入适量的改性元素均可改善炭泡沫的力学性能——炭泡沫的压缩、剪切强度均随改性元素含量的增加，呈现先增大后减小的趋势。其中，锆改性炭泡沫的压缩应力-应变曲线呈梯度脆性断裂模式，剪切断裂则表现出一定的塑性断裂特征。锆含量为7wt.%的炭泡沫（Zr-7）力学性能最优，压缩强度、比压缩强度和剪切强度分别为27.8MPa、67.8MPa·cm3·g-1和9.87MPa，比纯炭泡沫各提高了73.7%、56.6%和47.3%。引入适量的锆元素降低了炭泡沫的热导率，明显改善了其高温隔热性能：锆含量为10wt.%的炭泡沫（Zr-10）热导率最低，800℃下为0.597W·m-1·K-1，比纯炭泡沫降低了21.4%。硼元素的引入，提高了炭泡沫的抗氧化性能，B2O3含量为7wt.%的炭泡沫（BO-7）抗氧化性能最优，在空气气氛下失重5%所对应的温度为500.3℃，比未改性炭泡沫提高了29.4%。高温石墨化处理使炭泡沫由无定形炭向石墨炭转变。石墨化后的石墨泡沫，力学与隔热性能较炭泡沫材料下降明显。引入硅/锆改性元素，可降低石墨泡沫的烧蚀率，改善其耐高温烧蚀性能，这是由于氧-乙炔烧蚀过程中生成的SiO2/ZrO2延缓了石墨泡沫基体在烧蚀过程中的氧化和热化学烧蚀，从而起到一定的保护作用。采用胶接法，以树脂炭为中间层，分别将三种炭泡沫CF-70、BO-4和Zr-7，与C/C复合材料作连接，合成了C/C-炭泡沫组合材料。三种组合材料的界面剪切强度依次为4.31MPa、4.49MPa和4.67MPa。由于界面剪切强度接近于被连接的炭泡沫母材，因此接头的剪切破坏断面位于树脂炭中间层与炭泡沫的界面附近。三种组合材料在800℃下的热导率依次为1.55W·m-1K-1、1.39W·m-1K-1和1.35W·m-1K-1。炭泡沫的引入有效提高了组合材料的热阻，因而比相同温度下C/C复合材料的热导率降低了95%以上。