[发明专利]一种SiC与碳氮化物互穿抗烧蚀涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种SiC与碳氮化物互穿抗烧蚀涂层及其制备方法，所述互穿抗烧蚀涂层设置于碳材料表面，所述互穿抗烧蚀涂层由SiC相与碳氮化物相组成，所述SiC相与碳氮化物相呈网络互穿结构。所述互穿抗烧蚀涂层通过先原位生成多孔SiC涂层，再通过高流动性熔盐包裹金属氮化物运输至多孔SiC孔中经过沉积碳扩散，形成与SiC互穿的碳氮化物。本发明所提供的互穿抗烧蚀涂层具有低热膨胀、高熔点、高强度的综合特点。本发明可在远低于Si、Hf熔点的温度制备抗烧蚀碳氮化物互穿界面涂层，工艺简单高效。

技术领域

本发明涉及一种SiC与碳氮化物互穿抗烧蚀涂层及其制备方法，属于耐高温抗烧蚀涂层制备技术领域。

背景技术

炭/炭(C/C)复合材料作为满足航天工业需要而发展起来的一种新型高温结构材料，其具有低密度、高强模量、热膨胀系数小、耐高温、化学性能稳定等优点，但是其不抗氧化。为了提高炭/炭(C/C)复合材料在高温有氧环境下的服役稳定性，抗烧蚀涂层被认为是在此条件下保护C/C复合材料最合理的选择之一。

目前主流涂层的组分为过渡金属的碳化物或硼化物，例如ZrC、HfC、TaC、ZrB₂、HfB₂等。但是这些碳化物或硼化物本身强度不够，在高压气流冲刷下容易破损脱落，无法起到防护效果。由于碳氮化物中包含离子键、金属键和共价键，因此其具有良好的强度、耐腐蚀性、热稳定性和化学稳定性。广泛应用于硬质耐磨涂层、超导体、永磁体、核电站等领域。

文献一“S.V.Ushakov,A.Navrotsky,Carbides and nitrides of zirconium andhafnium,Materials 12(2019)2728.”通过理论计算预测碳氮化铪是熔点最高的材料(4321K～4445K)，并且其具有较强的硬度与耐磨性，可应用在抗烧蚀涂层领域。

文献二“Q.J.Hong,A.van de Walle,Prediction of the material withhighest known melting point from ab initio molecular dynamics calculations,Phys.Rev.B 92(2015),020104.”等人研究表面由于氮原子进入碳的亚晶格会使阴离子-阴离子对的大量减少，这会迫使阴离子(C和N)与Hf结合，从而使Hf-C-N系统更难熔化。

目前制备碳氮化物的方法主要有：高温氮化法、物理气相沉积法、碳热还原法等。但这些方法都存在一些问题:1.工艺苛刻，大多需要真空或者可控气氛环境，工艺适用性差，无法规模生成。2.制备温度高，合成周期长，能耗较高。

综上所述，寻找一种工艺简单抗氧化性能好，同时又具有极高熔点与强度的新型界面涂层，对于提高碳/碳复合材料在高温有氧环境下的使用寿命具有重要意义。

发明内容

针对现有C/C复合材料中存在的不足之处，本发明的第一个目的在于提供一种SiC与碳氮化物互穿抗烧蚀涂层。

本发明的第二个目的在于提供一种SiC与碳氮化物互穿抗烧蚀涂层的制备方法，所述制备方法反应温度低、工艺简单、高效。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种SiC与碳氮化物互穿抗烧蚀涂层，所述互穿抗烧蚀涂层以碳材料为基底，所述互穿抗烧蚀涂层由SiC相与碳氮化物相组成，所述SiC相与碳氮化物相呈网络互穿结构。

本发明提供的互穿抗烧蚀涂层，由低热膨胀系数的SiC层与高熔点抗烧蚀碳氮化物层相互穿插，形成致密的双相互穿结构，能够有效提升碳材料的抗烧蚀性能。

优选的方案，所述碳材料选自含热解碳层的碳纤维、含热解碳层的碳纤维预制体、含热解碳层且密度为0.7-1.2g/cm³的C/C多孔体、密度为1.3-1.8g/cm³的碳碳复合材料中的至少一种。