ZrB₂基超高温陶瓷材料热冲击性能差的问题制约了其在航天器大气层再入、火箭推进系统等高温及大温度梯度极端环境中的应用。传统增韧或增加热导率的方法只能有限改善它在高温极端环境下的力学稳定性,但仍然不能满足人类航天器对超高温陶瓷材料的苛刻要求,例如高温下相变增韧失效、晶须和纤维的损伤及颗粒弥散的效果差等问题。因此,必须寻找新的方法改善ZrB₂陶瓷基复合材料在高温极端环境下的热冲击性能。本论文采用生物力学在微结构设计中的软硬相组合原理（贝壳）和表面仿生改性（荷叶）原理优化设计ZrB2基超高温陶瓷材料的热冲击性能。从陶瓷材料微观结构在热力学作用下的动态响应的出发,揭示它热力学环境作用下的响应机制,建立新的改善陶瓷材料热冲击性能的微结构设计原理和制备方法,最终克服ZrB₂基超高温陶瓷在高温极端环境下的损伤性和偶然性。具体研究方案为:1,利用静电组装技术和高温还原方法在陶瓷基体内部（或颗粒边界）添加石墨烯（软相）,构建软硬相结合复合材料而增强陶瓷基体材料的断裂韧性,同时在陶瓷颗粒边界构建三维的高热传输路线而增强它的热扩散系数。通过增韧和热冲击能量快速释放的耦合作用,增强ZrB₂基体陶瓷的热冲击性能;2,利用自组装溶胶凝胶技术和外延生长方法在ZrB₂基陶瓷复合材料表面制备仿生热冲击涂层。通过增加热冲击界面的换热系数（2.884倍）和减弱基体材料内部的热应力动态效应,增强ZrB₂基超高温陶瓷的热冲击性能。首先,利用氧化石墨烯可大批量制备的Hummers方法及它满足与ZrB₂-Si C陶瓷颗粒之间的的静电组装原理,制备了氧化石墨烯与ZrB₂-Si C陶瓷复合物。通过高温烧结过程的氧化石墨烯还原,获得石墨烯增韧ZrB₂-Si C陶瓷基复合材料。研究发现高温烧结过程中的石墨烯结构重排修复了部分结构缺陷。在石墨烯增韧方面,出现了类似于纤维、石墨片等传统的增韧机理,例如石墨烯塑性变形、拔出、断裂,裂纹分叉和偏转。在陶瓷颗粒边界引入多层石墨烯形成的层间弱范德华力作用下,在颗粒边界形成的位错变形形成的应变能得到释放,蠕变转变为滑移变形,形成界面扩散蠕变向滑移转变机理。由于在基体材料内部构建了由石墨烯组成的快速热传导路径,它的热热扩散系数和热导率随着石墨烯含量的增加而增加。其次,在ZrB₂基陶瓷基体表面利用溶胶凝胶技术和异质生长技术制备仿生热冲击涂层。在热冲击过程中,仿生涂层和水介质接触界面形成一个薄的的空气包络层而增强了基体材料的热交换系数（2.884倍）,结合YSZ涂层的低热导率性质,改变了基体材料的温度和热应力分布的动态效应。有限元计算表明,在Y方向的最大热应力由YSZ仿生涂层表面的767 MPa降低到基体材料表面的336 MPa,且大于X方向的热应力（⁰ MPa）,说明裂纹沿基体表面法向传播。说明通过微结构的调控作用降低了表面裂纹扩展的驱动力,增强了ZrB₂基陶瓷材料的热冲击性能。上述两种仿生微结构调控（结构和形态）都增强了ZrB₂基复合材料的热冲击性能,验证了模拟自然界生物微结构的可行性。它说明仿生微结构设计原理在陶瓷材料的力学和热学、电学等方面有潜在的应用。