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HfC基、HfB2基超高温陶瓷具有高熔点、高化学稳定性、高模量、高硬度等优点，有希望被用作高超声速飞行器及超燃冲压发动机耐热结构件。作为耐热结构件，HfC基、HfB2基超高温陶瓷应具有高致密度、均匀的显微结构、良好的力学性能。但是，HfC、HfB2均具有极强的共价键特性且自扩散系数低，使得它们难于致密化。采用高温烧结虽然可以促进HfC基、HfB2基超高温陶瓷的致密化，但同时导致了其显微结构粗糙、力学性能下降。这已成为制约HfC基、HfB2基超高温陶瓷发展的瓶颈问题之一。
因此，本文围绕着铪系超高温陶瓷超细粉体的合成、陶瓷烧结、微结构调控、性能评价及提升的主线，从理论和实验两方面着手，系统地研究了合成铪系超高温陶瓷粉体的反应机理及影响因素，进而改进了合成工艺，并获得了高纯、超细的铪系超高温陶瓷粉体;在此基础上，分别通过无压烧结和热压烧结实现了HfC基、HfB2基超高温陶瓷的致密化，对影响其致密化、微结构演变、力学性能的因素进行了深入分析。通过添加SiC、WC调控了铪系超高温陶瓷的相组成和微结构，显著地提升了铪系超高温陶瓷的力学性能。主要研究内容如下:
(1)从热力学角度，对以HfO2和石墨或炭黑为原料的碳热还原反应进行了分析，发现降低反应体系内CO(g)分压有利于促进碳热还原反应在低温下进行。研究了碳源种类、反应温度对体系内气压、氧含量、物相转变、粉体形貌变化的影响规律。研究发现，该碳热还原反应存在生成HfCxOy过渡相的中间过程。粒径细小的炭黑能比粒径相对粗大的石墨更有效地抑制HfO2颗粒在升温过程中的粗化，有助于生成细小HfCxOy过渡相，从而降低最终所得HfC粉体的粒径。在此基础上，采用低压两步碳热还原法在相对低温下成功合成出了两种平均粒径分别为225nm和380nm的HfC粉体。
(2)运用热力学计算，分析了以HfO2和B4C为原料高温反应合成HfB2粉体所需的适宜温度、气压范围，解释了反应体系内需要B4C过量的原因，并给出了所需B4C的过量比例与反应温度、气压之间的具体定量关系。研究发现，高温、高真空的反应条件有利于减少体系内的B2O3((1)，g)，但会产生B2O2(g)和BO(g)，造成反应体系内硼元素缺失，需添加过量B4C以避免该反应残留HfO2。所需B4C过量比例与反应温度、气压有关。当反应体系气压恒定时，所需B4C的过量比例随着温度的升高而增加;当反应温度恒定，所需B4C的过量比例随着气压的降低而增加。实验结果表明，选择1600℃/1h/10Pa作为反应条件有利于获得高纯的HfB2超细粉体，所得HfB2粉体的平均粒径约为1μm、氧含量为0.3wt％、碳含量为0.18wt％。
(3)以上述合成的HfC超细粉体为原料，系统地研究了粉体粒径、烧结温度、第二相粒子、氧杂质对HfC基超高温陶瓷的无压烧结致密化、微结构演变和力学性能的影响规律。研究发现，粒径较细且粒径分布较窄的HfC粉体具有较高的烧结活性和较低的晶粒生长驱动力，有利于获得高致密的、细晶的HfC陶瓷。以平均粒径为225nm、粒径分布较窄的HfC粉体为原料，2300℃无压烧结所得HfC陶瓷的致密度为96.7％，平均晶粒尺寸为2.8μm。添加SiC第二相粒子可以有效地抑制HfC晶粒长大，有利于制备致密的、细晶HfC-SiC复相陶瓷。SiC颗粒粒径越小、含量越高，对HfC晶粒生长的抑制作用越明显。添加30vol％亚微米SiC粒子的HfC-30vol％SiC陶瓷的致密度可达99.7％，其内HfC相的平均晶粒尺寸仅为1μm。与单相HfC陶瓷相比，HfC-30vol％SiC陶瓷的抗弯强度和硬度提高了近20％，其四点弯曲强度可达396±56MPa，硬度为20.5±0.2GPa。
(4)以上述合成的HfB2超细粉体为原料，系统地研究了以HfC、WC作为烧结助剂对HfB2基UHTCs热压致密化、微结构、室温及高温力学性能的影响。在2000℃热压烧结所得HfB2-20vol％SiC陶瓷的致密度为98％，以HfC和WC为烧结助剂可进一步的促使HfB2-20vol％SiC陶瓷基本达到完全致密。与HfC相比，添加WC能更有效的除去HfB2-SiC体系内的氧杂质。并且WC与HfB2和氧杂质共同反应生成了细小的WB和(Hf,W)C相，从而有效的阻碍了基体晶粒的生长，改善了材料的微观结构，提高了材料的力学性能。HfB2-20vol％SiC和HfB2-20vol％SiC-5vol％HfC陶瓷内部的氧杂质含量较高，易导致高温下晶界结合强度降低，进而使得材料抗弯强度随温度升高而下降。HfB2-20vol％SiC和HfB2-20vol％SiC-5vol％HfC陶瓷在1600℃下的四点弯曲强度分别为388±82MPa和355±75MPa，比它们的室温强度降低了21～26％;相反，HfB2-20vol％SiC-5vol％WC陶瓷的抗弯强度随温度升高而提高，在1600℃下的四点抗弯强度达658±69MPa，比其室温强度提高了21％，这主要是由两方面原因所致:一是其内部氧杂质含量较低，使其在高温下仍能保持良好的晶界结合强度;二是陶瓷晶粒内有第二相粒子在1600℃C下析出，该第二相粒子阻碍了位错运动和裂纹扩展，进而提高了陶瓷的高温强度。