热防护系统作为高超声速飞行器的关键子系统,正向力热结构耦合一体化方向发展。作为典型的一体化热防护系统,波纹夹芯结构中腹板面临明显的热短路和热失配效应,如何解决这一问题成为一体化热防护研究的关键和热点之一。该问题形成的原因是连接结构承力与隔热功能的矛盾,本文围绕这一矛盾,提出了采用梯度过渡材料作为连接结构材料以解决上述问题的方法。论文主要对梯度腹板进行了分析与设计,并对腹板梯度材料进行了实验制备及性能分析。为验证梯度过渡连接结构解决热短路及热失配问题的可行性,首先建立了波纹夹芯一体化热防护热/力响应分析模型,对比分析了杂化酚醛树脂/陶瓷、杂化聚酰亚胺树脂/陶瓷两类线性梯度腹板与单一陶瓷腹板在典型热力载荷下的温度、应力响应特性,结果表明采用梯度材料作为腹板,可有效降低热防护背面温度、减小热应力。其次,为确定最佳的梯度过渡形式以指导材料制备,分析了不同梯度过渡形式下热防护背面温度、结构应力大小及分布,结果表明梯度过渡形式对结构响应有较为明显的影响。以结构应力最小化为目标,以厚度方向不同位置的材料性能为设计变量,建立了梯度过渡形式的优化方法,并针对本文所研究的材料组分获得了最优梯度过渡设计结果。最后,根据有限元模型分析结果,开展了材料制备与性能研究。首先分别制备了杂化酚醛树脂材料和杂化聚酰亚胺树脂材料,以此两种杂化材料作为先驱体,利用梯度温度下的热解技术分别热解得到了酚醛树脂梯度材料和聚酰亚胺树脂梯度材料,并分别对杂化材料及梯度材料进行了性能测试研究。结果表明杂化酚醛树脂材料、杂化聚酰亚胺树脂材料均具有良好的力学性能及热稳定性,酚醛树脂梯度材料热稳定性能好于聚酰亚胺梯度材料,梯度材料力学性能相对较差,有待于进一步研究。