本发明属于陶瓷模砖，涉及一种陶瓷模砖的表面涂层及其制备方法和应用。
背景技术：
1、当前，hud用玻璃曲面镜的生产依赖于能够在高温下保持稳定形状和尺寸的模砖(hud是英文head up display的缩写，意为“抬头显示”，又叫平视显示系统)。传统的陶瓷模砖在长时间暴露于高温环境时容易发生物理和化学性能退化，如热震裂纹、表面氧化和界面附着力下降。此外，常规的单一材质涂层无法有效应对热膨胀不匹配导致的应力集中问题。这些模砖必须能够承受连续的热循环，保持严格的尺寸精度，并在高温下维持其机械强度和化学稳定性。
2、现有的陶瓷模砖主要由一些普通的耐火材料制成，如氧化铝、碳化硅和氮化硅。这些材料虽然具有一定的高温耐受性，但在极端温度下仍会出现很多问题，诸如：(1)热膨胀不匹配引起的结构损坏：现有陶瓷模砖在重复的高温循环中由于内部热膨胀系数不一致，必然会产生热应力，导致模砖产生裂纹甚至断裂，特别是在模砖的孔洞区域，热应力集中导致的损坏是一个普遍存在的问题；(2)高温下的化学反应问题：陶瓷模砖在高温条件下与空气中的氧发生化学反应是一个确定的现象，这种反应改变了模砖的表面性质，影响其使用寿命和与玻璃的配合性；(3)界面附着力不足：在高温成型过程中，模砖与玻璃之间的界面附着力会下降，这会直接影响产品的光学特性和结构完整性；(4)生产效率和成本效益问题：陶瓷模砖的生产过程复杂，如孔洞大小和分布的精确控制，这不仅降低了生产效率，也提高了生产成本；(5)寿命和耐久性限制：陶瓷模砖的耐磨性和抗退化能力有限，长期使用后必须替换，导致生产停滞和成本增加。这些问题导致了模砖的早期失效，增加了制造成本，并影响了最终产品的质量。
3、因此，当前技术的缺陷在于不能提供一个稳定且均匀的工作表面，无法防止高温下的化学反应，也不能有效地控制热膨胀导致的应力。这些问题不仅限制了模砖的使用寿命，也限制了玻璃产品的制造效率和性能。通过现有的涂层技术，如简单的氧化层或碳化层，难以较好的解决上述问题，现有的涂层在高温和高应力环境中存在稳定性不足的问题。而且，这些涂层的制备过程往往非常复杂，涉及高能耗和成本高昂的设备，很难实现低成本的批量生产。
4、因此，开发一种新的陶瓷模砖表面工程技术，提供更高的性能，以满足hud玻璃曲面镜等高端玻璃产品生产过程中对精度、耐用性和成本效益的需求，是亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种陶瓷模砖的表面涂层及其制备方法和应用。本发明通过氮化硼层、碳层和硅碳化合物层的复合涂层的协同配合，在保持每种材料独特性能的同时，通过各层之间的协同作用，显著提升了整体涂层的性能，创建了一个既能承受高温环境，又能保护基体材料的复合涂层系统；从而提升了陶瓷模砖的耐热性、抗氧化性能和机械强度，确保了高质量生产的同时还降低了成本，提升了经济效益。
2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
3、第一方面，本发明提供一种陶瓷模砖的表面涂层，沿靠近陶瓷模砖本体至远离陶瓷模砖本体的方向上，所述表面涂层包括依次层叠的氮化硼层、碳层和硅碳化合物层。
4、本发明以氮化硼层、碳层和硅碳化合物层层叠的复合层作为陶瓷模砖的表面涂层；氮化硼作为首层，不仅改善热膨胀匹配，还引入了自润滑特性，可有效地缓解由于热膨胀不匹配引起的热应力，特别是在陶瓷模砖和玻璃基材之间的界面，此外，氮化硼的化学惰性也有助于保护陶瓷模砖本体免受高温环境中潜在的化学侵蚀；碳层具有良好的热稳定性，并且能够提供额外的抗氧化保护，高温下，碳层可以作为一个保护性屏障，防止陶瓷模砖本体与氧气或其他反应性气体的直接接触，还可以帮助缓解界面应力，增强整个涂层结构的完整性；硅碳化合物层在高温环境中表现出极强的热稳定性，能够抵抗极端温度引起的结构变化和化学退化且，硬度和耐磨性也有助于提高表面的耐磨损性能，能够有效地传递载荷，增强整个涂层系统的结构完整性，在一些高温应用中，硅碳化合物层还能起到保护其他结构(如氮化硼层和碳层)免受热应力和氧化影响的作用；通过氮化硼层、碳层和硅碳化合物层以及层叠顺序的协同配合，既发挥了各层的优势，又实现了协同作用，显著提升了模砖的耐热性、抗氧化性能和机械强度，创建了一个既能承受高温环境，又能保护基体材料的复合涂层系统；这种系统的设计综合考虑到了材料的化学、物理和机械性能，以确保在hud玻璃曲面镜的制造过程中获得最佳的性能和耐久性，还提升了陶瓷模砖与玻璃之间的匹配度。
5、本发明提供的表面涂层结构，氮化硼层、碳层和硅碳化合物层必须通过协同配合，才能实现更强的耐热性、优异的抗氧化性能和增强的机械强度；缺少任何一种单层的结构，均不能实现这种高效的多功能性；而且层叠顺序十分关键，调整层叠顺序后，同样无法发挥每层的最佳性能和实现这些性能的有效整合，这种精确的层叠结构确保了各层之间的最佳互补和功能协同，从而达到预期的整体性能提升。
6、优选地，所述氮化硼层的厚度为0.2～2μm，例如0.2μm、0.3μm、0.5μm、0.8μm、1μm、1.3μm、1.5μm、1.8μm或2μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
7、优选地，所述碳层的厚度为1～3μm，例如1μm、1.3μm、1.5μm、1.8μm、2μm、2.3μm、2.5μm、2.8μm或3μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
8、本发明中，所述碳层的厚度过薄，不利于实现足够的热膨胀匹配和自润滑特性，导致在高温环境下模砖与玻璃基材之间的热应力不匹配增加；而厚度如果过厚，又会影响涂层的整体导热性能，导致涂层的热响应速度变慢，从而影响整个模砖的热稳定性和制造效率。
9、优选地，所述硅碳化合物层的厚度为3～5μm，例如3μm、3.3μm、3.5μm、3.8μm、4μm、4.3μm、4.5μm、4.8μm或5μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
10、本发明中，所述硅碳化合物层的厚度如果过薄，难以实现足够的结构完整性和抗热应力裂解能力；而厚度如果过厚，则又会使得涂层整体变得脆弱，增加材料的断裂风险，同时导致成本不经济。
11、优选地，所述氮化硼层和碳层之间还包括第一交联界面层。
12、优选地，所述碳层和硅碳化合物层之间还包括第二交联界面层。
13、本发明中，第一交联层和/或第二交联层起到了增强界面粘附力和改善层间化学兼容性的作用，有效地缓解了由于材料间热膨胀系数不同而引起的内部应力，保证了高温下的涂层稳定性。
14、优选地，所述碳层靠近第一交联界面层的表层处进行第一硅掺杂，和/或，所述碳层靠近第二界面交联处的表层处进行第二硅掺杂。
15、本发明中，在碳层中进行两个表层处的硅掺杂(即在碳层制备的初期和后期进行硅的掺杂)，第一硅掺杂有利于形成稳定的碳基结构，同时强化氮化硼层与碳层之间的结构过渡；而第二硅掺杂则有利于确保第二交联界面层的形成和优化；本发明通过在碳层中进行非连续的硅掺杂，避免了碳层与硅过度反应，从而破坏了碳层的结构，导致其无法发挥相应的作用。
16、优选地，所述第一硅掺杂的掺杂量在所述碳层中的体积百分比为0.01～0.1％，例如0.01％、0.02％、0.03％、0.04％、0.05％、0.06％、0.07％、0.08％、0.09％或0.1％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
17、本发明中，第一硅掺杂的掺杂量如果过大，会导致碳层的导电性和热传导性降低，影响其作为热屏障的效率；而第一硅掺杂的掺杂量如果过小，又会影响碳层与氮化硼层之间的结合力，减少其结构完整性，从而影响整个涂层的机械稳定性和耐热性。
18、优选地，所述第二硅掺杂的掺杂量在所述碳层中的体积百分比为0.1～1％，例如0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％或1％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
19、本发明中，第二硅掺杂的掺杂量如果过大，会使得第二交联界面层过于脆弱，容易在高温或机械应力下发生破裂；而掺杂量如果过小，又会影响碳层和硅碳化合物层之间的界面附着力，减少其在高温应用中的性能保持，特别是在陶瓷模砖与高温玻璃成型过程中的相容性。
20、第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的陶瓷模砖的表面涂层的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
21、在陶瓷模砖本体表面依次复合氮化硼层、碳层和硅碳化合物层。
22、本发明提供的制备方法，形成了均匀且致密的涂层结构，适用于大规模生产。
23、优选地，所述氮化硼的复合方法包括：
24、将硼源和氮源通过化学气相沉积法在陶瓷模砖本体表面沉积得到氮化硼层。
25、优选地，所述硼源包括硼氢化物。
26、优选地，所述氮源包括氨气。
27、优选地，所述硼源的气体流量为10～50cm2/min，例如10cm2/min、15cm2/min、20cm2/min、25cm2/min、30cm2/min、35cm2/min、40cm2/min、45cm2/min或50cm2/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
28、优选地，所述氮源的气体流量为20～100cm2/min，例如20cm2/min、30cm2/min、40cm2/min、50cm2/min、60cm2/min、70cm2/min、80cm2/min、90cm2/min或100cm2/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
29、优选地，所述氮化硼沉积过程中，化学气相沉积的温度为900～1100℃，例如900℃、1000℃或1100℃等，化学气相沉积的时间为1～3h，例如1h、2h或3h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
30、优选地，所述氮化硼层沉积结束后，对氮化硼层表面进行第一交联处理。
31、优选地，所述第一交联处理的交联剂包括有机硅交联剂。
32、优选地，所述第一交联处理过程中交联剂的用量为0.1～1ml/cm2，例如0.1ml/cm2、0.2ml/cm2、0.3ml/cm2、0.4ml/cm2、0.5ml/cm2、0.6ml/cm2、0.7ml/cm2、0.8ml/cm2、0.9ml/cm2或1ml/cm2等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
33、优选地，所述第一交联处理的交联温度为150～300℃，例如150℃、175℃、200℃、225℃、250℃、275℃或300℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
34、优选地，所述第一交联处理的交联时间为1～4h，例如1h、2h、3h或4h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
35、优选地，所述碳层的复合方法包括：
36、将碳源通过化学气相沉积法沉积至氮化硼层表面得到碳层。
37、优选地，所述碳层的沉积过程中，碳源的气体流量为50～200cm2/min，例如50cm2/min、100cm2/min、150cm2/min或200cm2/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
38、优选地，所述碳层的沉积过程中，化学气相沉积的温度为800～1000℃，例如800℃、850℃、900℃、950℃或1000℃等，化学气相沉积的时间为1～2h，例如1h或2h，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
39、优选地，所述碳层的沉积过程中，沉积气体中还掺杂有硅；掺杂分阶段进行，初期掺杂量为0.01至0.1体积百分比，例如0.01体积百分比、0.02体积百分比、0.03体积百分比、0.04体积百分比、0.05体积百分比、0.06体积百分比、0.07体积百分比、0.08体积百分比、0.09体积百分比或0.1体积百分比等，后期掺杂量为0.1至1体积百分比，例如0.1体积百分比、0.2体积百分比、0.3体积百分比、0.4体积百分比、0.5体积百分比、0.6体积百分比、0.7体积百分比、0.8体积百分比、0.9体积百分比或1体积百分比等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
40、优选地，所述碳层沉积结束后，对碳层表面进行第二交联处理。
41、优选地，所述第二交联处理的交联剂包括有机硅交联剂。
42、需要说明的是，本发明中的有机硅交联剂的种类为常规技术选择，包括但不限于甲基三氯硅烷。
43、优选地，所述第二交联处理过程中交联剂的用量为0.1～1ml/cm2，例如0.1ml/cm2、0.2ml/cm2、0.3ml/cm2、0.4ml/cm2、0.5ml/cm2、0.6ml/cm2、0.7ml/cm2、0.8ml/cm2、0.9ml/cm2或1ml/cm2等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
44、本发明中，第一交联处理和第二交联处理过程中，本发明中，交联剂的用量如果过多，会影响涂层的灵活性和整体韧性，导致涂层在热循环或机械应力下更容易发生开裂或脱层，而如果过少，又会使得交联界面层的形成不充分，降低界面的结合强度，减少涂层的整体稳定性，特别是在高温或高压应用中容易导致涂层失效。
45、优选地，所述第二交联处理的交联温度为200～300℃，例如200℃、210℃、220℃、230℃、240℃、250℃、260℃、270℃、280℃、290℃或300℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
46、优选地，所述第二交联处理的交联时间为1～4h，例如1h、2h、3h或4h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
47、优选地，所述硅碳化合物层的复合方法包括：
48、通过先驱体浸渍-裂解法进行硅碳化合物层的沉积。
49、本发明提供的制备方法，通过化学气相沉积(cvd)和先驱体浸渍-裂解法(pip)的结合的制备方法制备涂层结构，通过将cvd和pip技术结合应用，能够在确保涂层均匀性和密实性的同时，充分利用每种技术的优势；cvd提供了涂层的均一性和高质量，而pip允许复合材料更深入地渗透到模砖的微观结构中；本发明提供的制备方法特别适合于需要高温性能和耐用性的应用过程，通过这种方法，可以确保涂层在整个使用周期内保持稳定，即使在高温和极端条件下也能保持其性能。
50、优选地，将沉积得到碳层后的陶瓷模砖浸渍于硅碳化合物先驱体中，裂解得到硅碳化合物层。
51、优选地，通过反复浸渍和裂解的过程，可有效地控制硅碳化合物层的厚度和质量。
52、优选地，所述裂解温度为1000～1200℃，例如1000℃、1050℃、1100℃、1150℃或1200℃等，所述裂解的时间为2～4h，例如2h、3h或4h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
53、作为优选的技术方案，所述制备方法包括以下步骤：
54、将硼源和氮源通过化学气相沉积法在陶瓷模砖本体表面沉积得到氮化硼层，对氮化硼层采用有机硅交联剂以0.1～1ml/cm2的用量进行150～300℃下的第一交联处理1～4h；
55、将碳源通过化学气相沉积法沉积至交联处理后的氮化硼层表面得到碳层，碳层的沉积过程中，沉积气体中还掺杂有硅；掺杂分阶段进行，初期掺杂量为0.01至0.1体积百分比，后期掺杂量为0.1至1体积百分比，沉积得到碳层后，对碳层采用有机硅交联剂以0.1～1ml/cm2的用量进行200～300℃下的第二交联处理；
56、碳层交联处理结束后，将沉积得到碳层后的陶瓷模砖浸渍于硅碳化合物先驱体中，裂解得到硅碳化合物层，得到所述陶瓷模砖的表面涂层。
57、需要说明的是，本发明提供的模砖本体为常规技术方案，本领域技术人员合理范围内可获知的用于曲面镜的模砖本体结构、材质以及制备过程，本发明均适用。
58、第三方面，本发明提供一种陶瓷模砖，所述陶瓷模砖包括陶瓷模砖本体以及位于所述陶瓷模砖本地表面的如第一方面所述的表面涂层。
59、第四方面，本发明还提供一种如第一方面所述的陶瓷模砖在hud玻璃曲面镜中的应用。
60、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
61、本发明以氮化硼层、碳层和硅碳化合物层层叠的复合层作为陶瓷模砖的表面涂层；氮化硼作为首层，不仅改善热膨胀匹配，还引入了自润滑特性，可有效地缓解由于热膨胀不匹配引起的热应力，特别是在陶瓷模砖和玻璃基材之间的界面，此外，氮化硼的化学惰性也有助于保护陶瓷模砖本体免受高温环境中潜在的化学侵蚀；碳层具有良好的热稳定性，并且能够提供额外的抗氧化保护，高温下，碳层可以作为一个保护性屏障，防止陶瓷模砖本体与氧气或其他反应性气体的直接接触，还可以帮助缓解界面应力，增强整个涂层结构的完整性；硅碳化合物层在高温环境中表现出极强的热稳定性，能够抵抗极端温度引起的结构变化和化学退化且，硬度和耐磨性也有助于提高表面的耐磨损性能，能够有效地传递载荷，增强整个涂层系统的结构完整性，在一些高温应用中，硅碳化合物层还能起到保护其他结构(如氮化硼层和碳层)免受热应力和氧化影响的作用；通过氮化硼层、碳层和硅碳化合物层以及层叠顺序的协同配合，既发挥了各层的优势，又实现了协同作用，显著提升了模砖的耐热性、抗氧化性能和机械强度，创建了一个既能承受高温环境，又能保护基体材料的复合涂层系统；这种系统的设计综合考虑到了材料的化学、物理和机械性能，以确保在hud玻璃曲面镜的制造过程中获得最佳的性能和耐久性，还提升了陶瓷模砖与玻璃之间的匹配度。
1.一种陶瓷模砖的表面涂层，其特征在于，沿靠近陶瓷模砖本体至远离陶瓷模砖本体的方向上，所述表面涂层包括依次层叠的氮化硼层、碳层和硅碳化合物层。
2.根据权利要求1所述的陶瓷模砖的表面涂层，其特征在于，所述氮化硼层的厚度为0.2～2μm；
3.根据权利要求1或2所述的陶瓷模砖的表面涂层，其特征在于，所述氮化硼层和碳层之间还包括第一交联界面层；
4.一种如权利要求1-3任一项所述的陶瓷模砖的表面涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述氮化硼的复合方法包括：
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述碳层的复合方法包括：
7.根据权利要求4-6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述硅碳化合物层的复合方法包括：
8.根据权利要求4-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
9.一种陶瓷模砖，其特征在于，所述陶瓷模砖包括陶瓷模砖本体以及位于所述陶瓷模砖本地表面的如权利要求1-3任一项所述的表面涂层。
10.一种如权利要求9所述的陶瓷模砖在hud玻璃曲面镜中的应用。
