近空间高超声速飞行器中热防护系统是不可缺少的重要组成,热防护系统通过各个结构的连接构成整个体系来实现其工作性能。其中热结构连接件的强度和可靠性关系到飞行器的结构安全,其隔热性能关系到整个热防护系统的隔热能力。热结构连接件的一个设计难点是避免连接结构因“热桥”效应而失效,即如何保证热防护系统中的连接结构在传递荷载同时又不能造成过多的热流失,因此设计出一种高强度、低热导率的热连接螺栓具有重要的意义。本文首先设计、制备出一种低孔隙率、低热导率、高强度的多层梯度Ni/Y2SiO5复合材料。其中多孔Y2SiO5陶瓷(孔隙率为30%)的热导率为0.378W/m·K,混合Ni形成的金属-陶瓷复合材料同时具有高剪切强度(62.12MPa,20%vtNi/Y2SiO5)以及变化较小的热导率为0.456W/m·K。研究了不同梯度组成、承载位置对多层梯度复合材料热学参数及力学参数的影响。运用ABAQUS有限元分析软件进行模拟验证,模拟得到0%/10%/20%梯度组成的多层复合材料所表征的剪切强度(57.41MPa)优于0%/5%/10%梯度的剪切强度(49.78MPa),其中要注意避免在弱界面处发生剪切破坏。破坏形式主要以沿着剪切面发生脆性破坏,对于Ni的增强有减缓脆性破坏的效果。在高温下多层梯度材料承受剪切作用时,剪切强度会随着温度的升高降低,但衰减程度有所减缓。其次研究了典型多层梯度Ni/Y2SiO5复合材料螺栓在高温下的热力耦合行为。分析了热力耦合作用下应力集中对螺栓承载力的影响,螺栓的等效热导率为0.402 W/m·K,主要由中间层多孔陶瓷为结构整体提供隔热作用,较多孔陶瓷(0.378W/m·K)相比热导率变化不大。但结构由于螺帽和螺纹的设置而产生的应力集中,影响了螺栓结构的剪切强度(16.87MPa)。最后综合考虑螺栓的承载能力及隔热性能,对梯度组成和尺寸进行结构优化。在通过模拟中根据组成结构的残余热应力影响最小,相对隔热性能最优的结构确定为强化层厚4mm,过渡层厚6.5mm,隔热层厚3mm,进行设计。所得到的优化结构有效结构热导率为0.435W/m·K,热力耦合作用下剪切强度为15.46MPa。