随着社会的日益发展,技术的不断进步,近年来中国各行各业对于复合材料的性能都提出了更高的要求,在这样的大背景下,研发出轻质高强的复合材料具有越来越重要的现实意义。基于此本研究将对空心玻璃微珠水泥基复合材料和随机泡沫结构这两种轻质材料的热力学性能展开研究。首先,空心玻璃微珠(Hollow Glass Microsphere)是一种非常小的无机白色空心球体材料,其在几何尺寸方面具有微观尺度下的直径和壁厚。这种中空结构和完美的球形形状使得中空玻璃微珠具有与众不同的优点,比如较高的抗压强度、低密度、低吸水性、低导热性以及较好的化学抗性。这些优势相对于传统的填充物而言,对于发展新型结构材料,比如多层复合材料、复合泡沫材料、轻质混凝土等,以应用于土木工程、深海探测、气体储存等领域都显得十分重要。另外,得益于中空玻璃微珠较低的导热系数,微珠也可以作为一种绝热材料应用于实际,以满足对于节能减排日益增长的客观要求。本文首先重点研究了中空微珠的热学性能的实验和计算标定,了解其优异热学性能的本质,然后从试验方面研究了中空玻璃微珠在水泥基复合材料中所占的体积分数对水泥基复合材料整体热力学性能的影响,随后使用ABAQUS有限元软件结合实际微珠在水泥基体的分布情况进行三维数值仿真验证。除了上述中空微珠填充的水泥基复合材料,本文也对二维非规则轻质泡沫结构的有效导热性能进行了深入地研究。泡沫结构是一种典型的多孔固体材料,孔洞的体积分数很高,因此具有极高的孔隙率。在这部分研究中,Voronoi多边形的缩放算法被用来产生具有随机分布气孔和壁厚的二维闭孔泡沫结构模型,其可以近似用来模拟真实的泡沫结构。所产生的泡沫结构的孔隙率、气孔的尺寸和壁厚等几何参数,由引入的缩放比系数精确地来控制。随后,论文对孔的尺寸、孔的个数和固体壁的导热系数等参数对泡沫结构的导热性能的影响都分别进行了深入的研究。研究发现泡沫结构的几何物理参数,如微孔的几何参数、孔壁厚度、基体材料的导热性能都会对整体体系的有效导热系数产生显著的影响。