随着航空航天技术的快速发展，可用于飞行器鼻锥、机翼前缘及发动机热端等关键部位的超高温材料主要集中在硼化物、碳化物等组成的超高温陶瓷材料。在超高温陶瓷材料中，ZrB2以其高熔点、高强度、高硬度、良好的导电导热性能和耐腐蚀性等综合性能而受到广泛的关注。然而，陶瓷材料的脆性严重限制了其应用。因此，陶瓷材料的强韧化成为研究的重点问题。国内外对ZrB2陶瓷材料的研究主要通过实验手段改变ZrB2陶瓷材料的制备工艺来改变材料微观结构及在陶瓷中加入不同相达到增强补韧的效果。而对于多相复合材料，其力学性能及失效机理不仅与其宏观性能及结构有关，而且还与其组成相的性能、形态、分布及组成相之间的界面特性等微观信息有着密切的关系。材料的破坏是由微观裂纹的萌生，到介观尺度的发展，再到最终的宏观破坏的跨多个尺度的过程。要更好地优化和利用多相复合材料，必须掌握材料微观结构对其宏观力学性能的影响，并发展多尺度研究方法。
　　本文以ZrB2-SiC陶瓷复合材料为研究对象，从材料的分子间作用力到微观裂纹扩展行为再到宏观强度多个尺度对ZrB2-SiC陶瓷复合材料的沿晶破坏过程及强度进行分析计算。并使用递阶多尺度方法将低尺度的计算结果作为输入应用于高尺度计算中，研究多相陶瓷复合材料的微观结构与其宏观强度的关系。
　　首先在原子尺度上使用分子动力学方法计算ZrB2-SiC界面的拉伸性能。在进行分子动力学计算的过程中使用Tersoff势函数及其混合法则模拟系统中原子之间的相互作用。并使用第一性原理方法分别计算ZrB2和SiC单晶弹性常数及晶格常数验证Tersoff势函数的准确性。通过分子动力学方法计算ZrB2-SiC界面模型的拉伸破坏过程并得到其拉伸强度及模量，为更高尺度的ZrB2-SiC晶界强度的计算提供依据。
　　多晶材料制备过程中，在晶界处容易产生缺陷从而对其强度产生影响。使用内聚力模型对ZrB2-SiC晶界的强度及晶界处裂纹扩展进行有限元模拟。在晶界处设置孔隙及微裂纹，并将分子动力学计算的ZrB2-SiC界面拉伸性能应用于晶界处内聚力单元的本构关系中，在微观尺度上研究了材料的致密度、晶间微裂纹及微裂纹分布对ZrB2-SiC晶界拉伸性能的影响。由于晶间孔隙及微裂纹的存在使ZrB2-SiC晶界的拉伸性能下降，并且微裂纹分布对ZrB2-SiC晶界模型拉伸过程中应力集中系数产生影响，从而影响其强度。
　　在介观尺度上分别使用基于图像法及Voronoi多边形法对ZrB2-SiC微观结构进行有限元建模，并将微观尺度下计算的ZrB2-SiC晶界拉伸性能引入ZrB2-SiC微观结构模型，研究ZrB2-SiC晶界性能及微观结构对其强度的影响。由于不同成分之间热膨胀系数不同，残余热应力的存在影响了微观结构内部的应力分布，从而使ZrB2-SiC微观结构的强度产生变化。ZrB2-SiC微观结构的拉伸强度随着致密度的提高及微裂纹长度的减小而升高。因此，当材料的微观结构一定时，材料的强度取决于晶界的强度。当晶界强度一定时，晶粒尺寸对模型的拉伸强度影响不大。对于含缺陷的微观结构，模型的拉伸强度除个别晶粒尺寸强度偏大，总体随着晶粒尺寸增大而减小。由于SiC颗粒在ZrB2-SiC陶瓷微观结构中一方面促进周围裂纹形成，同时对裂纹扩展又阻碍作用，使得SiC含量对模型的拉伸强度影响不大。
　　通过均质化ZrB2-SiC微观结构模型的强度，得到不同微观结构下ZrB2-SiC复合材料的宏观强度。材料宏观的拉伸强度及弯曲强度随着致密度的降低而降低，并且裂纹起始于应力集中区强度较低单元。晶粒尺寸对材料的宏观拉伸强度及弯曲强度的影响不大。材料的宏观拉伸模量随着晶粒尺寸的增大而增大。晶粒尺寸、微观缺陷及SiC含量对ZrB2-SiC材料宏观强度的影响与对微观结构模型的影响一致。虽然材料宏观力学性能的变化趋势与微观结构的强度相同，但体现了各种微观结构强度的综合作用。并且当材料内部单元的材料属性分布不同时，材料的宏观拉伸及弯曲强度相差都很大，体现出复合材料由于其微观结构不均匀造成的材料力学性能的离散性。
　　以往对ZrB2-SiC陶瓷复合材料强度的研究主要是通过实验手段进行尝试。本文通过计算的方法跨多个尺度研究了ZrB2-SiC陶瓷复合材料微观结构对材料宏观强度的影响，从而得到一些材料强度的影响因素，对材料设计具有指导意义，并为ZrB2-SiC陶瓷复合材料的力学性能的研究提供计算方法。