[发明专利]核壳结构增韧(Hf,Ta)C固溶体超高温陶瓷涂层及一步制备方法

说明书

本发明涉及一种核壳结构增韧(Hf,Ta)C固溶体超高温陶瓷涂层及一步制备方法，具体为核壳结构(Hf,Ta)Cnws/PyC增韧(Hf,Ta)C超高温陶瓷涂层，目的是开发一种具有超高熔点和良好韧性的超高温陶瓷纳米线，制备成分可控的(Hf,Ta)C超高温陶瓷涂层，通过调控纳米线与超高温陶瓷涂层间的界面来提高涂层的抗烧蚀性能，以实现陶瓷涂层在极端环境下对基体材料的有效防护。(Hf,Ta)C固溶体超高的熔点是陶瓷涂层及增韧相的绝佳选择。此外，本发明有效避免了因多次升/降温导致的涂层内部热应力增大的问题以及多次装/卸前驱体和基体对纳米线、PyC层及涂层结构的破坏。本发明制备工艺简单、操作方便、同时适用于简单形状和复杂形状的多种基体。

技术领域

本发明属于材料防护领域，涉及一种核壳结构增韧(Hf,Ta)C固溶体超高温陶瓷涂层及一步制备方法，具体涉及一种核壳结构(Hf,Ta)Cnws/PyC增韧(Hf,Ta)C超高温陶瓷涂层及一步制备法。

背景技术

超高温陶瓷材料(UHTCs)是一类可以在2000℃以上的超高温有氧环境下依然能够保持化学和物理稳定性的热防护结构材料。由于UHTCs具有高熔点(3000℃)、高硬度、良好的化学稳定性、较高的氧化防护能力等众多优异高温物理性能，其可应用到极端环境中，因此是一种非常有前途的高温结构材料。UHTCs主要包括过渡族金属Hf、Ta和Zr的碳化物、硼化物及氮化物等，ⅥB和ⅤB组成的过渡金属单相碳化物是岩盐晶体结构，这些材料的结合是共价键、离子键及金属键的混合，因此具有高硬度，良好的导热性和更高的熔点。以上化合物中TaC的熔点最高(3950℃)，HfC熔点(3928℃)和ZrC熔点(3420℃)次之。此外，TaC具有最低的热膨胀系数(6.3×10-6/℃)。因此，HfC和TaC具有绝佳的综合性能(熔点、弹性模量、强度、硬度、热膨胀系数、导热系数)，是最有潜力的超高温陶瓷碳化物。为探索出高温性能更好的陶瓷材料，研究人员尝试在单组元碳化物的基础上增加过渡金属元素，在多种组合的二元碳化物中，HfC和TaC在887℃及以上便可在整个组成范围内形成固溶体，学者研究表明(Hf,Ta)C固溶体不仅具有超高的熔点和较好的塑性，其在抗烧蚀/氧化领域也具有较大的潜力，是抗烧蚀涂层的绝佳候选材料。此外，(Hf,Ta)C固溶体纳米线兼具一维材料大长径比、高比表面积、良好韧性和块状固溶体陶瓷的高熔点和良好的塑性，可以作为超高温陶瓷的增韧相有效提高材料的抗烧蚀性能。尽管纳米线对于超高温陶瓷的增韧效果表现良好，但是仍存在以下亟待解决问题：纳米线与陶瓷涂层的界面结合强度过高，制约了纳米线的拉拔、剥落和桥接的韧性机制，降低了纳米线的增韧效果，因此纳米线与陶瓷涂层的界面层引起了研究人员极大的关注。

为了解决这个问题，文献1“Zheng GB,Mizuki H,Sano H,Uchiyama Y.CNT-PyC-SiC/SiC double-layer oxidation-protection coating on C/C composite.Carbon,46(2008)1792-1828.”报道了在C/C复合材料上沉积CNTs-PyC-SiC/SiC涂层，在碳纳米管(CNTs)上沉积热解碳(PyC)层，提高了CNTs与C/C的结合强度，降低了涂层中的热应力，减少涂层裂纹同时使裂纹发生偏转，提高了涂层的抗氧化性能。虽然没有达到完全的抗氧化，但PyC无疑在提高结合强度和缓解应力方面发挥了重要作用。

文献2“Yang B,Zhou XG,Chai YX.Mechanical properties of SiC_f/SiCcomposites with PyC and the BN interface.Ceramics International.41(2015)7185-7190.”报道了PyC和BN界面层对SiC_f/SiC复合材料力学性能的影响，结果表明引入PyC层对复合材料抗弯强度和韧性的增强效果优于BN层。