在航天航空领域飞速发展的时代,对超高温复合材料提出了更为苛刻的性能要求,其中碳碳复合材料在高温领域发挥着独特优势。本研究从C/C复合陶瓷材料出发,以TiC、ZrC、HfC三种碳化物为基体材料,研究了三类(TiC/ZrC、HfC/ZrC、HfC/ZrC/TiC)不同成分碳化物复合陶瓷的烧结性能,从烧结致密化,维氏硬度与断裂韧性,微观组织断裂模式,裂纹扩展及其力学性能变化为讨论点,揭示了材料组织成分、微观组织与力学性能之间的联系及规律,得到以下主要结论:(1)TiC/ZrC陶瓷中不同种类的烧结助剂对致密化的影响。烧结密度、相对密度计算结果显示,TiC/ZrC/SiC试样烧结密度为5.4637 g/cm3,相对密度为92.60%,碳化硅均匀分布于TiC与ZrC之间,使界面与界面之间有很好的润湿性,更好的促进烧结,同时也由于烧结速度快,残留较多气孔。在TiC/ZrC/Ti&C试样中,基于SPS烧结对粉末导电性要求较高,钛粉与碳粉都有比较好的导电性,有相关文献报道有利于活化烧结,且钛与碳的存在,相比于其它添加物更利于碳化钛与碳化锆的固溶。烧结后体积密度为5.4962 g/cm3,烧结相对密度达96.20%。在TiC/ZrC/MWCNTs试样中,烧结致密化较好,烧结密度为6.2191 g/cm3,相对密度达到了95.11%;多壁碳纳米管(MWCNTs)有高的长度/径向比、极大的韧性,与TiC/ZrC陶瓷基体的结合,纤维界面强度适中,改善了陶瓷的机械强度与韧性。(2)复合烧结工艺对TiC/ZrC的力学性能有显著地改善。15wt%TiC/ZrC通过直接SPS烧结与复合烧结(冷等静压+SPS)维氏硬度与断裂韧性对比,直接SPS维氏硬度为14.0±0.5GPa,断裂韧性KIC为3.5±0.3 MPa·m1/2。改进工艺为复合烧结,测试维氏硬度数值为22.0±1.8GPa,断裂韧性KIC为5.1±0.3MPa·m1/2。将两种不同的烧结工艺得到的数据进行比较,后者的维氏硬度提高了57%,断裂韧性改善了45.7%,证明了创新烧结工艺对陶瓷的烧结性(强韧性)有显著的提升。复合烧结工艺对TiC/ZrC陶瓷的抗氧化性能有着明显的提高。普通烧结陶瓷在模拟氧化后,表层大面积脱落,凹凸不平,有大量散状粉末;而创新复合烧结的同种陶瓷试样在模拟氧化后,表面形貌变化不大,平平整整,未出现脱落与粉末,致密化性能较好。(3)复合烧结HfC/ZrC系列陶瓷,烧结性能的比较。HfC/ZrC系列的烧结相对密度、维氏硬度、断裂韧性都呈钟型变化,纯相ZrC的各项数值最低,相对密度87.93%,维氏硬度6.79GPa,断裂韧性3.87MPa·m1/2,随着HfC含量的增多,二元复合材料5wt%HfC/ZrC、7wt%HfC/ZrC的性能最为优异,相对密度98.63%,维氏硬度16.38 GPa,断裂韧性4.74MPa·m1/2。随着HfC含量的进一步增多,烧结性能又出现了下滑。验证了在HfC/ZrC碳碳复合烧结是否在溶质含量控制为一定量时,可显著提高陶瓷试样的强度与硬度,同时具有较好的断裂韧性。5wt%HfC/ZrC、7wt%HfC/ZrC都具有较好的强韧性。(4)纯相ZrC与HfC/ZrC复合相的断裂模式一致,以穿晶断裂为主的典型脆性端口特征,背散下小晶粒的光滑沿晶断裂多为烧结不致密留下一定的空隙,形成薄弱面导致而成。微观组织的差异在区域A、区域B界面处形成了应力集中,在受外力冲击时,成为微裂纹起源,选择往A面发展或B面发展,根据烧结性能差异、强度来决定。大小不一的异常晶粒,强度更差,裂纹倾向于往阻力小的区域扩展,微裂纹逐渐聚集,形成较大尺寸,经过异常晶粒时,或消亡,或发生θ偏转,形成小平面内的撕裂棱或大裂纹。(5)复合陶瓷基本为穿晶断裂的脆性断裂特征,将维氏硬度和断裂韧性等力学性能与穿晶数量及晶面上撕裂棱的行为有有较强的联系与规律。对于复合陶瓷烧结性能越好,穿晶数量越多,台阶平面上撕裂棱越多、越复杂,复合陶瓷的断裂表面能增加就越多,断裂韧性就越好。(6)分析了HfC/ZrC/TiC系列维氏硬度、断裂韧性的变化规律,其中断裂韧性的数值变化不大,烧结工艺与原始材料性能起主要作用。维氏硬度受微观组织的影响,变化毫无规律,虽然尺寸较小,弥散分布的Zr O0.9先对粗大杂质硬度有所提高,但无任何杂质、烧结性能好的C4维氏硬度达到最大值。(7)分析了两种断裂模式,断口穿晶断裂为主呈现了典型的脆性断裂特征。演变了裂纹的起始于消失,解释了微观断口多台阶高低不平的原因,且微裂纹多消失在台阶最高点与台阶最低点。