高超声速飞行器在稠密大气层长时巡航或再入过程中会遭受严重的气动加热。寻求一种新型耐高温、轻质、高效的隔热材料是未来高超声速飞行器表面热防护技术所追求的目标。将具有特殊微观结构的炭气凝胶和泡沫碳(RVC)复合，可制得具有良好隔热性能的新型隔热材料。论文主要采用数值模拟方法研究炭气凝胶/泡沫碳复合结构的隔热性能，初步探究了炭气凝胶填充泡沫碳的实验制备方法。首先，分析了泡沫碳和炭气凝胶的隔热性能。论文根据泡沫碳的微观结构建立了多种泡沫碳骨架的模型，借助AutoCAD VBA编程，然后运用CFD软件分析模型的传热性能，并从中优选出最贴近真实泡沫碳传热的模型。分析结果显示泡沫碳孔隙内气体导热和辐射导热对泡沫碳的传热贡献很大，从理论上证明在泡沫碳孔隙中填充低导热率、抗辐射的材料可以进一步提高泡沫碳的隔热性能。而炭气凝胶是一种理想的填充材料，本文根据相关理论和经验公式，建立了炭气凝胶的传热模型，分别分析了气凝胶固相导热、气相导热、辐射导热和气-固耦合导热。其次，根据炭气凝胶、泡沫碳的传热特点，分析了炭气凝胶/泡沫碳复合结构的隔热性能；材料复合后隔热性能得到提高，综合性能优于单一材料。此外，本文还分析了炭气凝胶导热率、泡沫碳孔隙率、温度等参数对复合结构隔热性能的影响规律，为复合结构的隔热应用和实验制备提供了参考依据。最后，本文初步探究了炭气凝胶填充泡沫碳的实验制备方法，将气凝胶先驱体渗入到具有特殊微观结构的泡沫碳中，经溶胶-凝胶反应、老化、溶剂置换、冷冻干燥和碳化等工艺后得到具有良好的绝热性能和尺寸稳定性的新型隔热材料。在泡沫碳中填充炭气凝胶后，复合结构的有效导热系数比填充前的泡沫碳最大可降低22.6%，隔热性能增加。