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随着航空航天技术的快速发展,新型高速飞行器及其动力系统对防热材料的性能要求越来越苛刻,通常需要其能够耐超高温,且长时抗氧化、抗烧蚀,以及优异的力学性能。C/C-SiC-ZrC复合材料因其密度低、比强度和比模量高、良好的抗氧化、抗烧蚀和抗热震等特点,已成为当前超高温热防护系统的主干材料之一。然而C/C-SiC-ZrC复合材料在制备和应用过程中仍然存在着一些关键问题,限制了其在极端环境下的长时应用。如采用前驱体浸渍裂解（PIP）工艺引入ZrC时,ZrC前驱体在高温裂解过程中因贫碳而与热解碳（PyC）界面/基体和碳纤维（Cf）反应,导致材料力学性能降低;化学气相渗（CVI）工艺引入SiC基体有利于提升C/C-SiC-ZrC复合材料的力学性能和抗氧化烧蚀性能,但其组成和含量对材料性能的影响规律尚不清楚;超高温循环烧蚀环境下,氧化产物ZrO2相变引起氧化膜开裂以及SiO2过度挥发导致ZrO2多孔结构的形成限制了材料长时可重复使用,有待进行多组元设计和优化以提升氧化产物的高温稳定性。针对以上问题,本文提出了材料多尺度结构调控的思路,即在PIP过程中引入纳米尺度碳,包裹ZrO2并限制其反应区域,对界面进行调控;CVI过程中引入微米尺度SiC,对碳纤维表面PyC和SiC层的比例进行调控;PIP过程中引入纳米尺度稀土氧化物,使其在烧蚀过程中稳定ZrO2晶体结构并减少SiO2挥发。本文主要取得如下结果:针对PIP工艺引入ZrC基体时因贫碳造成界面损伤的难题,提出在有机前驱体的二甲苯溶液中引入可溶性热固性沥青树脂对陶瓷前驱体进行碳源补偿,减缓前驱体裂解过程中ZrO2碳热还原反应对PyC界面/基体和Cf的刻蚀,实现低损伤界面C/C-SiC-ZrC复合材料的制备。结果表明,当PZC/PCS/树脂质量比为20:1:5、1500℃裂解时,可得到ZrC含量较高的高纯度ZrC-SiC粉末。采用该前驱体混合液所制C/C-SiC-ZrC复合材料,抗弯强度高达247.4 MPa,较未进行碳源补偿的复合材料提高了 52.2%。这主要是由于引入的树脂碳可在分子水平上均匀地包裹ZrO2中间体并原位反应形成ZrC基体,从而有效地防止PyC、Cf的损伤。针对如何进一步提高C/C-SiC-ZrC复合材料的力学和氧化烧蚀性能的问题,提出在材料中引入结晶度高、力学性能和抗氧化性能优异的CVI-SiC基体,并系统研究了 C-SiC体积比对CVI-PIP工艺所制C/C-SiC-ZrC复合材料性能的影响。结果表明,当C-SiC体积比为0.91时,复合材料具有更高的弯曲强度（355.4 MPa）。这主要归因于其具有相对较高的CVI-SiC基体含量、较低的孔隙率、合适的界面结合强度和较少的基体微裂纹。2100℃氧乙炔烧蚀600 s后,C-SiC体积比为0.12的复合材料具有更好的抗烧蚀性能,线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.94 μm/s和0.13 mg·cm-2·s-1,材料表面形成了低氧扩散率玻璃相的连续氧化层以及固相的ZrO2骨架对于残留玻璃相的支撑起到了抵抗烧蚀的作用。针对C/C-SiC-ZrC复合材料循环烧蚀过程中氧化产物ZrO2相变导致的氧化膜开裂以及SiO2过度挥发导致ZrO2多孔结构的形成等问题,以稀土（RE）硝酸盐溶液作为前驱体将稀土氧化物引入到C/C-SiC-ZrC复合材料基体中,研究了稀土氧化物对材料烧蚀氧化产物的相稳定作用。结果表明:前驱体裂解产物中含有14 mol%Y2O3的复合材料在1700℃烧蚀1000 s后的线烧蚀率为0.23 μm/s,相比未添加Y2O3的复合材料降低了 28%。随着烧蚀次数的增加,Y2O3在ZrO2中固溶量的增加使得产物中m-ZrO2含量减少,微裂纹数量随之减少,从而获得了较低的线烧蚀率,1900℃烧蚀1000 s后的线烧蚀率为0.47μm/s。Y2O3含量从14 mol%增加到22 mol%、26 mol%时,复合材料的线烧蚀率先降低后增加,最低线烧蚀率为0.43 μm/s（22 mol%）。在1900℃烧蚀条件下,Yb2O3较Y2O3展现出了更为优异的改性效果,复合材料烧蚀600 s线烧蚀率下降43.1%。烧蚀过程中,Zr-RE-O相的生成避免了 m-ZrO2的产生进而抑制了氧化膜降温过程中的体积膨胀,高稳定低氧扩散RE2Si2O7相的生成,以及RE3+在Si-O键网络结构中的溶解对SiO2的稳定作用,三者协同提升了稀土改性C/C-SiC-ZrC复合材料的循环抗烧蚀性能。本文提出的采用PZC/PCS/树脂三相互溶前驱体溶液以避免复合材料碳界面损伤这一思想和方法,不仅适用于PIP工艺制备高强度的碳纤维增强ZrC基复合材料,也同样适用于制备其他碳化物陶瓷基复合材料。此外,本文系统研究了CVI-SiC基体含量、RE2O3种类和含量等对材料性能的影响规律,优化了 CVI-PIP工艺所制C/C-SiC-ZrC复合材料的力学和氧化烧蚀性能,验证了超高温循环烧蚀条件下RE2O3对氧化膜的稳定作用,并阐明了稳定机制。以上工作为提升碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料性能提供了新思路和新方法,可为先进飞行器热防护系统的研制提供关键材料支撑。