非烧蚀型超高温陶瓷材料是应用于极端热环境中的一种防热材料。ZrB₂陶瓷基复合材料因其优异的热物理性能而被视为一种非常有前途的非烧蚀型超高温防热材料。但一直以来ZrB₂陶瓷基复合材料的本征脆性和较差的抗热冲击性能限制了其广泛的工程应用。碳材料由于其优异的特性,如高电导、高热导、化学惰性、低热膨胀系数、轻质等,被越来越来多的科学家所重视,尤其是具有更优异性能的富勒烯、碳纳米管、石墨烯等碳纳米材料的相继发现,全世界科学界刮起了“纳米碳”研究的热潮。在超高温陶瓷领域,多种形式的碳材料已被用来改善ZrB₂陶瓷基复合材料的烧结特性、力学及抗热冲击性能,但研究还远不够深入。本文针对ZrB₂陶瓷基复合材料本征脆性,探究了将碳纳米材料均匀引入ZrB₂陶瓷基体中的不同方法,系统分析了碳纳米材料对ZrB₂陶瓷基复合材料力学性能影响及相应的增韧机理;而后采用自组装方法制备了氧化石墨烯/ZrB₂薄膜,研究了薄膜微结构对拉伸性能及导电性能的影响;启发于生物结构,将跨尺度多层次结构引入石墨烯/ZrB₂陶瓷基复合材料中,评价了材料的力学性能,并分析了相应的多尺度增韧机理。石墨烯纳米片在陶瓷基体中分布的均匀程度和质量直接决定其增韧效果的好坏。为了使石墨烯纳米片在ZrB₂陶瓷基复合材料中均匀分散,利用氧化石墨烯表面大量亲水性含氧基团,结合原位热还原法实现了石墨烯纳米片在ZrB₂陶瓷基复合材料中均匀分散。系统分析了石墨烯纳米片含量对石墨烯/ZrB₂-Si Cp和石墨烯/ZrB₂-Si Cw陶瓷基复合材料微结构、弯曲强度、断裂韧性的影响。由于材料中陶瓷晶界有限,氧化石墨烯添加量过高时,石墨烯纳米片在烧结过程中会相互结合而导致纳米片增厚,影响复合材料的力学性能。此外,基于裂纹扩展路径分析了石墨烯/ZrB₂陶瓷基复合材料断裂机理,研究了石墨烯纳米片韧化ZrB₂陶瓷基复合材料的机理。采用化学气相沉积法将甲烷高温裂解,制备出纳米碳包覆ZrB₂颗粒的核壳结构,探究了沉积温度、沉积时间和气体流速对碳纳米片/ZrB₂复合颗粒形貌的影响。结合碳纳米片/ZrB₂复合颗粒形貌,采用外延生长的FV模型和SK模型分析其生长过程。碳纳米片/ZrB₂复合颗粒与Si C经SPS致密化,获得了碳纳米片/ZrB₂-Si C陶瓷基复合材料,从根本上解决碳纳米材料在陶瓷中难分散的问题。在SPS过程中,碳纳米片会与Si C表面氧化物反应,净化晶界而促进致密化。探讨了碳纳米片含量对复合材料断裂韧性和硬度的影响,基于裂纹扩展路径分析了碳纳米片/ZrB₂-Si C陶瓷基复合材料断裂机理。利用氧化石墨烯通过真空辅助抽滤制备出氧化石墨烯/ZrB₂、氧化石墨烯/ZrB₂-Si Cp和氧化石墨烯/ZrB₂-Si Cw陶瓷基薄膜。分析了薄膜组分、PVA含量对薄膜微结构的影响。拉伸测试显示:当氧化石墨烯含量为30 vol.%时,薄膜的抗拉强度最大,相应的拉伸模量也最大,氧化石墨烯含量减少或者增加均不利于薄膜层次结构的构建,导致抗拉性能的降低。在导电性能方面,氧化石墨烯/ZrB₂-Si C薄膜被热还原后,薄膜导电性能随着氧化石墨烯含量的增加和还原温度（300-1300℃）的升高而不断提升。贝壳利用矿物质和蛋白质构建层次结构实现了高强度和高韧性的目的。受此启发,采用“自下而上”的组装方法在石墨烯/ZrB₂-Si C陶瓷基复合材料中构建了跨尺度的层次结构,达到增韧的目的。首先通过真空辅助抽滤法获得具有微-纳米尺度层次结构的氧化石墨烯/ZrB₂-Si C陶瓷基薄膜,而后通过放电等离子烧结将交替排列且组分不同的GO/陶瓷基薄膜进行致密化,制备出具有微米-宏观层次结构的复合材料。在SPS降温过程中,氧化石墨烯/ZrB₂陶瓷基薄膜由于热膨胀系数的不同将交替排列的压应力层和拉应力层引入复合材料中。系统分析了层状石墨烯/ZrB₂-Si C陶瓷基复合材料的微结构对其弯曲强度和断裂韧性的影响规律,此外,基于裂纹扩展路径,分析了层状石墨烯/ZrB₂-Si C陶瓷基复合材料的多尺度增韧机理。