综述：超高温陶瓷多尺度结构-力学性能关系及数据驱动设计研究综述

这篇综述系统阐述了超高温陶瓷（UHTCs）在极端环境下的多尺度结构特性与力学行为关联机制，重点探讨了从原子尺度（DFT/AIMD计算）到介观尺度（FEA模拟）的性能退化规律，创新性提出通过材料基因组工程（MGE）结合机器学习（ML）实现强度-韧性协同优化的逆向设计策略，为航空航天热防护系统（如HfB2/ZrC基材料）开发提供理论指导。

　　

超高温陶瓷（UHTCs）的极端环境征服之路

ABSTRACT
超高温陶瓷（UHTCs）以超过3000°C的熔点和卓越的抗烧蚀性能，成为高超音速飞行器鼻锥、航天器热防护系统的核心材料。然而其本征脆性、高密度和抗疲劳性能不足制约了应用拓展。

Multiscale structural characteristics of UHTCs
UHTCs的晶体化学特性决定了其非凡性能。过渡金属碳氮化物（如TaC、HfN）呈现面心立方结构，而二硼化物（如ZrB₂）则具有六方密堆结构。原子尺度上，强金属-非金属键（M-X）赋予材料超高硬度，但共价键主导的电子结构也导致本征脆性。有趣的是，HfB₂中发现的B-B链状结构能通过键角扭曲吸收变形能，这为韧性设计提供了新思路。

高温环境下，UHTCs的微观结构演化呈现显著尺度效应：纳米尺度位错运动受限于Peierls势垒，而介观尺度晶界滑移主导塑性变形。真空等离子喷涂制备的ZrB₂-SiC复合材料中，<10μm的等轴晶可提升20%室温强度，但超过1600°C时晶界玻璃相软化导致强度骤降。

Multiscale dominant factors and corresponding structural strengthening/toughening strategies
纳米尺度上，通过第一性原理计算发现TaC中碳空位浓度达5%时，剪切模量下降37%。针对此问题，研究者开发了反应熔渗法，在HfB₂晶格中引入<5nm的HfC纳米沉淀，使硬度提升至28GPa。

微观尺度创新体现在多尺度协同增韧：激光选区熔化制备的梯度多孔ZrB₂材料，孔隙率梯度变化15-35%时，断裂功提高3倍。更有趣的是，受贝壳层状结构启发设计的Al₂O₃/ZrB₂仿生复合材料，通过引入50nm厚非晶界面层，实现了裂纹偏转与桥联的协同增韧机制。

High-throughput computing
材料基因组工程框架下，研究者建立了首个UHTCs高通量计算平台：采用SISSO算法筛选出12种潜在超高温相，其中预测的TiB₂-WN复合材料经实验验证其1800°C强度达1.2GPa。更突破性的是，基于图神经网络的跨尺度建模成功预测了ZrC晶界能各向异性与断裂韧性的非线性关系，误差<8%。

Conclusion and perspectives
未来UHTCs发展将聚焦三个维度：原子尺度缺陷工程、跨尺度界面调控，以及基于深度强化学习的多目标优化。特别值得关注的是，将Transformer架构应用于微观结构-性能关联建模，有望突破传统分子动力学在高温长时模拟中的尺度限制。

这篇综述揭示了UHTCs从基础研究到工程应用的转化路径：通过融合多尺度实验表征（如原位TEM高温力学测试）、跨尺度计算（从DFT到FEA）和数据驱动方法（如生成对抗网络逆向设计），正在开创极端环境材料研发的新范式。