炭材料具有高的化学潜热，高温下保持高强度和化学稳定性，抗烧蚀及粒子侵蚀性能优良，抗热震性能好，可用于烧蚀及粒子侵蚀环境中，是固体火箭发动机喉衬、远程和洲际飞行器头部材料的首选材料。但是，随着宇航技术的飞速发展，一些高端太空飞行器的研究已经提上日程，特别是在超音速飞行器、再入大气系统和火箭的推进系统等方面，作为烧蚀防护材料首选的炭材料，在超高温(＞2000℃)下抗氧化/烧蚀方面的缺憾已日趋明显，进一步提高炭材料在超高温下的抗氧化/烧蚀性能变得越来越重要。　　 本论文选择难熔金属硼化物为抗烧蚀组元，通过改变抗烧蚀组元间的种类、配比及含量，进而调控材料烧蚀后形成保护层的化学组成和微观结构，达到提高炭材料抗烧蚀性能的目的。在论文工作中，通过热压成型法制备了二硼化锆掺杂炭材料，二硼化锆、碳化硅掺杂炭材料和二硼化锆、二硼化铪掺杂炭材料。系统研究了掺杂组元种类、组成、掺杂组元间的质量配比以及掺杂粒子存在形式对复合材料力学性能、传导(导热、导电)性能和抗烧蚀(氧乙炔火焰烧蚀和等离子体烧蚀)性能的影响；通过微观分析与结构表征，探讨了多组元掺杂炭材料的传导机理、抗烧蚀机理和掺杂组元的增强机理。论文工作获得了许多有价值的结果，主要研究内容和结论如下：　　 1、二硼化锆掺杂炭材料制备、性能与结构的相关性研究　　 (1)添加二硼化锆组元可有效提高炭材料的抗弯强度、导热及导电性能。二硼化锆含量为10 wt％炭材料(GZr-10)的传导及机械性能达到最佳，常温热导率为161 W/(m.K)，电阻率为2.1μΩ.m，抗弯强度达到最大值131MPa。　　 (2)添加二硼化锆组元对炭材料产生催化石墨化作用，提高材料的石墨化度，增大材料内部的平均微晶尺寸，使微晶的排列趋于完善。　　 (3)向炭基体中添加ZrB2组元可明显提高材料抗氧乙炔烧蚀性能。ZrB2加入量越大，烧蚀速率越低。在180s时，ZrB2掺杂量为20 wt.％(GZr-20)复合材料，其质量和线烧蚀速率比纯石墨材料分别下降了92％和94％。在材料烧蚀表面形成一层致密、连续ZrO2膜，作为氧气和热量扩散的有效抑制层，提高了炭材料的抗烧蚀性能。　　 (4)二硼化锆掺杂炭材料等离子体烧蚀测试表明：ZrB2加入降低了炭材料等离子体烧蚀速率，加入量越大，烧蚀速率下降幅度越大。GZr-20的质量和线烧蚀速率比石墨材料分别下降了14％和17％，在烧蚀过程中，液态锆覆盖在材料表面，抑制碳的升华和与氮的反应，保护炭材料。　　 2、二硼化锆、碳化硅掺杂炭材料制备、性能与结构的相关性研究　　 在ZrB2掺杂炭材料基础上，向其引入碳化硅，制备了ZrB2、SiC掺杂炭材料，结果表明：　　 (1)与GZr-10相比，引入SiC后材料由于制备温度低，导致材料的导热、导电性能和抗弯强度均有所降低。但适量SiC掺杂亦能使材料的上述性能保持在较高水平。当SiC为10wt.％时，材料的弯曲强度达到79 MPa，热导率达到95 W/(m.K)，而电阻率降到7.41μΩ.m。　　 (2)适量ZrB2和SiC共掺杂对炭材料产生较强催化石墨化作用，在热处理温度2200℃下，能达到2600℃热处理的石墨化水平。随SiC含量增加，材料的石墨化度逐渐增大，平均微晶尺寸也随之增加。　　 (3)添加SiC能够在短时间内大幅度提高材料的抗氧乙炔烧蚀性能。在120秒内，随SiC含量增加，烧蚀速率显著下降，含量越大，烧蚀速率越低。在120s时，SiC掺杂量为15wt.％复合材料(GZrSi1015)的质量和线烧蚀速率相对于GZr-20而言，降低90％和93％。烧蚀期间，SiO2填充在ZrO2骨架内，互相交织在一起，形成一个致密、完整和连续复合保护层体系，作为氧气和热量扩散的有效抑制层，提高了炭材料的抗烧蚀性能。　　 (4)引入SiC组元不利于在长时间内炭材料抗氧乙炔烧蚀性能的提高。当烧蚀时间超过120秒时，材料烧蚀烧率不仅没有降低，反而开始增大。这是由于随材料表面温度升高，体系粘度逐渐变小，二氧化硅和氧化硼挥发加剧，冲破覆盖在材料表面的复合氧化膜，破坏液膜的完整性，从而导致材料抗烧蚀性能的降低。　　 (5)添加SiC组元对提高材料抗等离子体烧蚀性能效果不好。随SiC含量增加，材料的质量和线烧蚀速率均增大。这是由于等离子体温度远高于氧乙炔火焰温度，引入了低熔点和易分解的SiC，在其温度下SiC的大量分解和急剧挥发，破坏了材料表面形成的保护膜，导致烧蚀速率的增大。　　 3、二硼化锆、二硼化铪掺杂炭材料制备、性能与结构的相关性研究　　 为进一步提高炭材料的抗烧蚀性能，在ZrB2掺杂炭材料基础上，向其引入HfB2，制备了Zrg2、HfB2掺杂炭材料，结果表明：　　 (1)在GZr-10基础上引入HfB2，由于炭基体、ZrB2及HfB2相容性问题，导致材料的抗弯强度、导热和导电性能均有所降低。但适量HfB2掺杂亦能使上述性能保持在较高水平。在HfB2为10 wt.％时，其弯曲强度达到85MPa，热导率达到108W/(m.K)，而电阻率降到2.07μΩ.m。　　 (2)适量ZrB2和HfB2掺杂对炭材料产生催化石墨化作用，少量HfB2引入降低石墨化度，但随HfB2含量增加，石墨化度逐渐增大，平均微晶尺寸也随之升高，但过量掺杂，造成石墨晶格缺陷增加，石墨化度反而降低。　　 (3)添加HfB2组元可显著提高材料的抗氧乙炔烧蚀性能。随烧蚀时间增加，烧蚀速率明显下降，HfB2掺杂量越大，烧蚀速率越低。在180s时，GZrHf1015的质量和线烧蚀速率相对于GZr20下降了84％和86％。这是由于在材料烧蚀表面形成复合氧化层所致。这样，既有二氧化锆作为骨架层支撑，阻止气流的冲刷，又有软化的二氧化铪作为玻璃封填层，降低氧气和热量向材料内部的扩散速率，从而降低材料的烧蚀速率，有效提高了炭材料的抗烧蚀性能。　　 (4)ZrB2、HfB2掺杂炭材料等离子体烧蚀测试表明：HfB2加入降低了炭材料烧蚀速率，加入量越大，烧蚀速率降低幅度越大。在烧蚀时间为20s时，GZrHf1015比纯石墨材料下降46％和48％，比GZr20下降40％和37％。在烧蚀过程中，熔融物质覆盖在材料表面，抑制碳的升华和与氮的反应，提高了材料的耐烧蚀性能，展示了这种材料作为高温烧蚀材料的良好前景。