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超高温陶瓷（Ultra-high Temperature Ceramics，UHTCs）指熔点在3000℃以上，且能在高温环境以及反应气氛中保持物理和化学稳定性的陶瓷类材料，一般包括过渡金属硼化物、碳化物及氮化物。在超高温陶瓷家族中，ZrB2基UHTC具有更加优良的力学性能，高的热导率和导电性，以及对熔融金属的化学惰性和抗热振性，已经成为目前超高温结构防护中最有前途的材料之一。本文围绕ZrB2基超高温陶瓷的力学性能，抗氧化性能，热循环烧蚀性能，热力化耦合模型进行了如下四个方面的研究。
第一，基于纳米金属粉末增韧原理，采用放电等离子烧结制备出高致密度ZrB2-SiC-Ni超高温陶瓷。通过密度测试发现，随着镍含量的增加，ZrB2-SiC-Ni超高温陶瓷致密度得到了提高。采用纳米压痕和微加载试验对其常温下的硬度、弹性模量和断裂韧性等力学性能进行测试。试验结果表明，随着镍含量的增加，ZrB2-SiC-Ni超高温陶瓷的硬度和弹性模量有小幅下降，ZrB2-SiC-Ni超高温陶瓷的断裂韧性随着镍含量的增加而增加。
第二，采用线切割机制备了小尺寸ZrB2-SiC-Ni超高温陶瓷试件，并对其抗氧化性能进行研究。结果表明，所有试件氧化层厚度和氧化时间呈现指数正相关趋势。在温度较高的条件下Ni对陶瓷抗氧化性能提升有明显影响。当氧化温度为1600℃时，ZrB2-SiC-6mol%.Ni陶瓷的氧化厚度约为ZrB2-SiC陶瓷的一半，镍的掺入提高了ZrB2-SiC超高温陶瓷的抗氧化性能，主要原因为Ni降低了SiO2的挥发性，抑制了氧向非氧化区域的扩散。氧化温度为1600℃时，未添加镍的ZrB2-SiC陶瓷氧化截面为经典的四层氧化结构，ZrB2-SiC-6mol%.Ni超高温陶瓷截面无SiC消散层。
第三，采用氧丙烷热冲击试验台对ZrB2-SiC超高温陶瓷鼻锥模型进行循环烧蚀试验，通过扫描电镜对鼻锥截面进行微观形貌和元素分析。研究结果表明：随着循环次数的增加，其氧化层厚度和质量增重呈现指数正相关趋势。锥顶部的氧化层厚度要明显大于侧边的氧化层厚度，并且氧化层厚度随着鼻锥距离的增加而减小。当烧蚀温度为1600℃，循环烧蚀次数为5次时，鼻锥尖端氧化层厚度达到125±10μm。烧蚀结果表明ZrB2-SiC陶瓷鼻锥在1600℃服役工况下具备良好的应用前景。
第四，依据现有的热力学和Fick扩散定律，采用ZrB2超高温陶瓷稳态氧化动力学模型，分析了不同孔隙率和孔隙半径对氧化层厚度、质量增重的影响，数值模拟显示预测结果与实际试验数据基本吻合；进一步采用Arrhenius方程建立ZrB2-SiC热力化耦合模型，数值模拟发现，氧化层中应力状态为先增大后减小，基底层中应力状态为先增大后趋于稳定。结果表明在氧化前期，氧化应力对氧化影响作用不明显，随着氧化时间的增加，其影响效果逐渐增加。
综上所述，通过放电等离子烧结成功制备了高致密度ZrB2-SiC-Ni超高温陶瓷，并对其常温力学性能及高温氧化性能进行考核，试验结果表明，Ni的掺入有效提高了ZrB2-SiC超高温陶瓷的断裂韧性及抗氧化性能，为制备高性能超高温陶瓷材料提供了试验方案。采用氧丙烷热冲击试验台对ZrB2-SiC陶瓷鼻锥进行循环烧蚀试验，试验结果表明ZrB2-SiC超高温陶瓷鼻锥在1600℃的服役工况下可保持良好的气动外形，为实现ZrB2-SiC超高温陶瓷作为高超声速飞行器鼻锥前缘等热防护结构提供了试验支持。基于Arrhenius方程建立了ZrB2-SiC超高温陶瓷热力化耦合模型，研究了氧化过程中超高温陶瓷的应力应变分布情况，为深入研究超高温陶瓷的氧化机理提供了理论指导。
第一，基于纳米金属粉末增韧原理，采用放电等离子烧结制备出高致密度ZrB2-SiC-Ni超高温陶瓷。通过密度测试发现，随着镍含量的增加，ZrB2-SiC-Ni超高温陶瓷致密度得到了提高。采用纳米压痕和微加载试验对其常温下的硬度、弹性模量和断裂韧性等力学性能进行测试。试验结果表明，随着镍含量的增加，ZrB2-SiC-Ni超高温陶瓷的硬度和弹性模量有小幅下降，ZrB2-SiC-Ni超高温陶瓷的断裂韧性随着镍含量的增加而增加。
第二，采用线切割机制备了小尺寸ZrB2-SiC-Ni超高温陶瓷试件，并对其抗氧化性能进行研究。结果表明，所有试件氧化层厚度和氧化时间呈现指数正相关趋势。在温度较高的条件下Ni对陶瓷抗氧化性能提升有明显影响。当氧化温度为1600℃时，ZrB2-SiC-6mol%.Ni陶瓷的氧化厚度约为ZrB2-SiC陶瓷的一半，镍的掺入提高了ZrB2-SiC超高温陶瓷的抗氧化性能，主要原因为Ni降低了SiO2的挥发性，抑制了氧向非氧化区域的扩散。氧化温度为1600℃时，未添加镍的ZrB2-SiC陶瓷氧化截面为经典的四层氧化结构，ZrB2-SiC-6mol%.Ni超高温陶瓷截面无SiC消散层。
第三，采用氧丙烷热冲击试验台对ZrB2-SiC超高温陶瓷鼻锥模型进行循环烧蚀试验，通过扫描电镜对鼻锥截面进行微观形貌和元素分析。研究结果表明：随着循环次数的增加，其氧化层厚度和质量增重呈现指数正相关趋势。锥顶部的氧化层厚度要明显大于侧边的氧化层厚度，并且氧化层厚度随着鼻锥距离的增加而减小。当烧蚀温度为1600℃，循环烧蚀次数为5次时，鼻锥尖端氧化层厚度达到125±10μm。烧蚀结果表明ZrB2-SiC陶瓷鼻锥在1600℃服役工况下具备良好的应用前景。
第四，依据现有的热力学和Fick扩散定律，采用ZrB2超高温陶瓷稳态氧化动力学模型，分析了不同孔隙率和孔隙半径对氧化层厚度、质量增重的影响，数值模拟显示预测结果与实际试验数据基本吻合；进一步采用Arrhenius方程建立ZrB2-SiC热力化耦合模型，数值模拟发现，氧化层中应力状态为先增大后减小，基底层中应力状态为先增大后趋于稳定。结果表明在氧化前期，氧化应力对氧化影响作用不明显，随着氧化时间的增加，其影响效果逐渐增加。
综上所述，通过放电等离子烧结成功制备了高致密度ZrB2-SiC-Ni超高温陶瓷，并对其常温力学性能及高温氧化性能进行考核，试验结果表明，Ni的掺入有效提高了ZrB2-SiC超高温陶瓷的断裂韧性及抗氧化性能，为制备高性能超高温陶瓷材料提供了试验方案。采用氧丙烷热冲击试验台对ZrB2-SiC陶瓷鼻锥进行循环烧蚀试验，试验结果表明ZrB2-SiC超高温陶瓷鼻锥在1600℃的服役工况下可保持良好的气动外形，为实现ZrB2-SiC超高温陶瓷作为高超声速飞行器鼻锥前缘等热防护结构提供了试验支持。基于Arrhenius方程建立了ZrB2-SiC超高温陶瓷热力化耦合模型，研究了氧化过程中超高温陶瓷的应力应变分布情况，为深入研究超高温陶瓷的氧化机理提供了理论指导。