高超声速飞行器恶劣的热环境对热防护材料提出了新的需求,传统的高温结构材料已不能完全满足其应用环境,为提高材料的抗烧蚀性能,实现超高温抗烧蚀和氧化物补偿,本文采用原位反应法在碳基材料表层制备了不同成分的类“Z-pins”柱棒。类“Z-pins”柱棒是规则分布的与基体垂直的棒状结构。本文系统研究了工艺参数对类“Z-pins”柱棒的微观形貌和形成过程的影响,分析了类“Z-pins”柱棒与碳基材料基体的结合状态,重点研究了不同类“Z-pins”柱棒的烧蚀行为,阐明了其烧蚀机制。主要研究成果如下:（1）研究了碳扩散原位反应法制备的单组元类“Z-pins”柱棒的微观结构和形成机制。单组元类“Z-pins”柱棒在加热保温后形成了多层碳化物层结构,碳化物层的生长由C扩散控制,而原位反应法可较好地控制C扩散速率,因此类“Z-pins”柱棒中生成的碳化物层致密度高,碳化物相和金属相界面结合良好。（2）研究了原位反应法制备多组元类“Z-pins”柱棒的组织形貌。结果表明类“Z-pins”Zr-Cr棒表面形成了Zr C、Cr3C2和Cr C三种物相,通过共晶反应纵截面形成Zr-Zr C1-x共晶相和Zr C2相。加热保温时碳基材料基体中的C扩散进入类“Z-pins”Zr-Hf棒中,与Zr-Hf原位反应形成了双层结构,外层为Zr C/Hf C层,内部为Zr-Zr C1-x/Hf-Hf C1-x共晶相夹杂孤立的Zr C1-x/Hf C1-x晶粒层。原位反应法促进了类“Z-pins”Zr-Si-B-C复相陶瓷棒的致密化,并有效促进了陶瓷棒与基体的界面结合。（3）研究了单组元类“Z-pins”柱棒表层改性的碳基材料的压缩行为和烧蚀行为。结果表明单组元类“Z-pins”柱棒表层改性的碳基材料呈现典型的非脆性断裂特征,Z向压缩强度先增大后减小。对单组元类“Z-pins”柱棒进行烧蚀试验后,单组元类“Z-pins”柱棒表面氧化膜具有多层结构,依次为熔融MO2（M=Zr,Hf,Ta）层、疏松的MO2骨架,大量纳米级的微晶聚集而成的MO2层,致密的MCxOy层。（4）研究了多组元类“Z-pins”柱棒的烧蚀机制。烧蚀后类“Z-pins”Zr-Cr棒表面形成了致密熔化的Zr-O-Cr层,Cr的添加还减少了Zr O2相变导致的热应力,提高了氧化膜的致密性和热稳定性。类“Z-pins”Zr-Hf棒烧蚀后,形成了熔融Zr O2-Hf O2层和致密的Zr CxOy/Hf CxOy层,降低了氧气的渗透速率,实现了高温氧化物补偿。烧蚀过程中,类“Z-pins”Zr-Si-B-C复相陶瓷棒依次生成了不同的氧化物熔体,实现了宽温域氧化物补偿。图72幅,表15个,参考文献211篇