超轻质碳/酚醛复合材料是一种新型防/隔热一体化碳化型微烧蚀热防护复合材料,旨在匹配轻量化深空探测返回再入航天器的热防护技术要求。超轻质碳/酚醛复合材料由纳米孔酚醛树脂气凝胶填充碳纤维三维网络骨架结构复合而成,厚度均匀的高分子树脂薄膜包覆在纤维表面形成了特有的“雾凇结构”。本课题制备了短切碳纤维碳粘接骨架/酚醛气凝胶复合材料和连续碳纤维针刺毡/酚醛气凝胶复合材料,其属性参数均按需可调,且压滤成型工艺或纤维编织工艺决定了复合材料的结构和性质都具有横观各向同性的特点。电弧风洞驻点烧蚀典型工况考核实验证明了材料的耐烧蚀性能优异,高温表面辐射和质量引射热阻塞效应使气动加热被大量耗散。热物性测试和热分析实验表明了材料的热绝缘性能极佳,酚醛气凝胶的热分解吸热和材料沿厚度方向较低的导热系数有效地阻隔了热能量向内部传递。材料烧蚀过程中表现出了分层特性,可描述为烧蚀后退层、碳化反应层、酚醛热解层和原始材料层的四层结构物理模型。在表面烧蚀和体积烧蚀的耦合作用下,材料表面及其内部发生了复杂的热量传递和质量/动量运输过程。基于防/隔热机理分析,建立了以固相为主体并考虑了热解反应和质量引射等复杂因素影响的烧蚀行为本征数学模型。热重实验表明,酚醛气凝胶的热化学反应符合三阶段热解规律,采用高斯分峰和峰值分析方法建立了多重广义阿伦尼乌斯方程形式的分阶段热解动力学模型。采用热解程度为插值系数,建立了描述材料属性参数随时间和温度变化的计算模型。基于质量和动量守恒定律,建立了描述热解气体在多孔介质中的流动模型。表面能量平衡方程确定了进入材料内部的净热流,并在气固两相热平衡假设下求解控制体的热响应方程。基于推导出的数学控制方程,利用COMSOL-Multiphysics全尺寸多维数学建模实现了多场强耦合瞬态求解,考虑了材料非线性、几何非线性和边界非线性效应,并采用变形几何方法表征材料的表面烧蚀后退过程。数值仿真结果与烧蚀实验比照得到了烧蚀和热响应规律一致性和合理相对误差,验证了数学模型的有效性和仿真求解的高保真度。数据后处理中,给出了密度、孔隙度和热解程度等物性场变量以及温度、压力和流速等物理场变量的大量线图和云图,并分析防/隔热机制中的主次因素,进一步为选材优化和结构设计提供支持。