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炭材料具有质轻、优良的高温力学性能和抗热震性能，多年来作为高温结构材料获得了大量的研究和应用。但炭材料在高温氧化气氛中易发生氧化/烧蚀反应的特点，极大地限制了炭材料在高温领域的广泛应用。因此，如何对炭材料进行有效的氧化/烧蚀防护，多年来一直都是材料学界研究的一个重要领域。
本文通过粉末梯度叠层热压烧结工艺，将陶瓷粒子弥散的炭基主体材料和针对不同应用环境而择优选取的三类纯(或富)陶瓷热防护层有机连接为一个整体，用以提高炭基材料的抗氧化/烧蚀性能。在论文工作中，依据功能梯度材料(Functionally Graded Material，缩写为FGM)先设计后制备再性能评价的研究路线，在考察不同陶瓷含量对应均一复合材料结构、性能影响规律的基础上，通过一定的优化设计，制备了分别针对低温氧化、中高温氧化/烧蚀和高温(超高温)氧化/烧蚀应用的B4C/C FGM、SiC/C FGM和ZrB2/SiC/C FGM。进一步，通过分析考察叠层工艺参数与目标梯度材料结构、性能之间的相关性，获得了优化的叠层工艺参数。最后，对所制备的三类目标梯度材料在对应适宜温度下的氧化/烧蚀应用性能进行了分析评价，在此基础上探讨了三类材料在应用环境下的氧化/烧蚀防护机理。此外，对目标梯度材料梯度过渡的连续化途径进行了一些初步探索。论文工作获得了一些有意义的结果：
1.随着陶瓷组元含量的增加，三类体系对应所得均一复合材料的密度、抗弯强度、弯曲模量和线膨胀系数均呈单调递增趋势；硬度随陶瓷组元含量的增加呈现出先减小后增大的趋势；热导率随陶瓷组元含量的增加，对于SiC/C和ZrB2/SiC/C体系同样呈现先减小后增大的趋势，而对于B4C/C体系，则呈现单调递减的趋势。分析比较三类体系均一复合材料的结构致密性和相应梯度材料烧结成型性发现，B4C/C和ZrB2/SiC/C体系均一材料的结构致密性和相应梯度材料的烧结成型性都比较好，而SiC/C体系均一材料的结构致密性和相应梯度材料的烧结成型性相对比较差。
2.以实测的三类炭/陶均一复合材料相关性能数据为基准，通过有限元分析目标体系残余热应力分布获得了比较适宜的理论叠层工艺参数：叠层成分分布指数P=1.0，即呈线性梯度分布；梯度叠层数N>=8。进一步通过实验考察不同叠层数对应目标样品结构性能发现，增加梯度叠层数可以逐步改善对应梯度材料相邻梯度层的浓度突变，使梯度过渡特征从最初的阶梯状大梯度突变过渡逐步转为连续梯度过渡。同时，也可逐步优化梯度材料整体的密度、强度、抗热震性等性能。当梯度层数N≥4时，炭/陶FGM即可获得完好成型，当N≥8时，即可获得组成结构基本呈连续梯度过渡且层间界面基本消失的FGM。
3.通过引入适量硅组元可显著改善SiC/C FGM体系的梯度过渡连续性。随着硅掺入量的增加，相应SiC/C FGM的层间界面逐步模糊淡化。当硅掺入量达到30％(V％)时，相应FGM的层间界面已基本消失，材料呈现线性连续的梯度过渡结构，材料整体的性能也获得了大幅改善。
4.所制备的B4C/C FGM和SiC/C FGM在电子束辐照环境下表现出优良的出气性能和抗热冲击性能。
5.B4C/C FGM在800℃低温的恒温空气氧化环境下，抗氧化性能沿梯度层厚度方向呈现出明显的梯度变化。B4C含量为50％的富陶瓷侧抗氧化性最好，经10h氧化后该层仍表现为轻微增重，这一特征有望在面壁材料抗氧化领域有效发挥其功能优势。SiC/C FGM在2200℃中高温氧乙炔烧蚀环境下表现出良好的抗氧化/烧蚀性能，在该温度下烧蚀300秒相应平均质量烧蚀率为9.7×10-5g/s。在300s烧蚀时间内，材料整体呈现出先增重后轻微失重的特征，失重转变时间为120s。ZrB2/SiC/C FGM在2800℃高温(超高温)氧乙炔烧蚀环境下表现出优异的抗氧化/烧蚀性能，在该温度下烧蚀300秒相应平均质量烧蚀率仅为4.10×10-5g/s。在300s烧蚀时间内，材料整体也呈现出先增重后轻微失重的特征，失重转变时间为180s。
6.耐氧化和气流冲刷且结构致密的富陶瓷及纯陶瓷热防护层在氧环境下表面原位生成结构致密的对应氧化物防护膜是三类炭/陶梯度材料在相应适宜温度下具有优良抗氧化/烧蚀性能的主要原因。