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在高速飞行期间,飞行器的局部热端部位温度高达2000℃以上。对热防护材料的抗氧化耐温极限、高可靠性和抗热冲击性能提出了更加苛刻的要求。传统的难熔金属、石墨、C/C、C/SiC以及SiC/SiC耐高温材料已经难以满足未来热防护系统的需求。而熔点在3000℃以上的过渡族金属的难熔硼化物和碳化物是一种非常有前途的在2000℃以上使用的非烧蚀型超高温防热材料,其中ZrB2基超高温陶瓷因具有优异抗氧化烧蚀性能,被研究地最为广泛和深入。然而ZrB2基超高温陶瓷材料的本征脆性和较差的抗热冲击性能一直是限制其工程应用的关键。国内外学者尝试在ZrB2陶瓷中引入多种添加相进行增韧和改善抗热冲击性能,但效果有限,尚不能满足极端热环境的需求。为了进一步提高ZrB2陶瓷材料的断裂韧性和抗热冲击性能,国内外研究人员在仿生层状、“砖-泥”结构和纤维独石陶瓷方面做了不少工作,但大都采用聚合物、金属或者高体积分数（>70vol.%）的二维石墨片和氮化硼作为弱界面相替代天然生物材料中的蛋白质层,严重破坏了陶瓷材料的高温性能和抗氧化烧蚀性能。此外,层状材料具有显著的面外各向异性,纤维独石结构仅在沿着纤维轴向方向具有较好的力学性能,在偏离纤维轴向性能严重衰减。针对上述问题,本文在在利用仿生微结构增韧超高温陶瓷的同时,采用高陶瓷组分的弱界面保证ZrB2超高温陶瓷材料优异的抗氧化烧蚀性能,通过微结构设计缓解仿生陶瓷的显著各向异性。最终通过多组分、跨尺度微结构设计缓解仿生陶瓷材料的各向异性,在实现多尺度增韧和改善抗热冲击性能的同时又保持了其优异的抗氧化烧蚀性能。通过调控石墨烯的含量获得了具有不同微结构和力学性能的ZrB2-SiC-Graphene陶瓷。选择高弹性模量和强度的ZrB2-20vol.%SiC作为强基体,选择具有较高断裂能和抗热冲击性能的ZrB2-20vol.%SiC-30vol.%Graphene作为弱界面。通过创新的造粒-涂覆方法制备了ZrB2-SiC-Graphene@ZrB2-SiC“砖-泥”陶瓷,表现出较小的各向异性和优异的抗热冲击性能。在微-纳尺度石墨烯可以抵抗裂纹尖端之前局部损伤引起的裂纹萌生,在宏观尺度上多组分间弹性模量的失配抑制裂纹扩展,迫使任何初始裂纹连续改变方向,从而通过裂纹偏转和分叉降低裂纹尖端应力,抑制裂纹扩展,提升断裂韧性。最终通过石墨烯拔出与桥联的微观增韧行为以及裂纹偏转与分叉的宏观增韧行为实现多尺度复合增韧的效果。通过热压无序排列的ZrB2-SiC/ZrB2-SiC-Graphene（ZS/ZSG）短纤维制备面内各向同性的非轴向排列的ZS/ZSG短纤维独石陶瓷,以克服传统轴向ZrB2纤维独石陶瓷的显著面内各向异性。研究了致密度、纤维直径对ZS/ZSG短纤维独石陶瓷微观结构和力学性能的影响。随烧结温度的提高,ZS/ZSG短纤维独石陶瓷的相对密度和力学性能逐渐增加。随纤维直径减小,ZS/ZSG短纤维独石陶瓷的弯曲强度先增加后减小,断裂韧性逐渐增加。ZS/ZSG短纤维独石陶瓷经最高温度超过2150℃的氧乙炔火焰烧蚀615s后,外形保持完整,没有宏观裂纹,呈现非烧蚀特性。通过改变纤维片的排布角度获得不同微结构的ZS/ZSG连续纤维独石陶瓷。轴向对齐的ZS/ZSG-0o纤维独石陶瓷沿纤维轴向具有优异的力学性能,其断裂韧性和断裂功高达10.42±0.98MPa·m1/2和737.8J/m2,但存在明显的面内各向异性。ZS/ZSG-15o、ZS/ZSG-45o和ZS/ZSG-90o纤维独石陶瓷的力学性能较ZS/ZSG-0o有所衰减,但其面内性能较为均为。ZS/ZSG连续纤维独石陶瓷通过微米级到纳米级的多尺度结构中的内在和外在增韧抵抗破坏。内在增韧机制主要作用于纳米尺度,在裂纹尖端之前石墨烯可以抵抗局部损伤引起的裂纹萌生。而外部增韧机制,在微米尺度上起作用并且主要在裂纹尖端后面,当裂纹开始扩展时,裂纹偏转、分叉和石墨烯拔出等外部增韧机制降低裂纹尖端应力,抑制裂纹扩展,使ZS/ZSG连续纤维独石陶瓷表现出显著上升的R曲线行为。