CN106082694A - 一种透明可钢抗划伤涂层及其制备方法 - Google Patents

一种透明可钢抗划伤涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明是关于一种透明可钢抗划伤涂层及其制备方法，所述的涂层沉积于基体上，涂层包括支撑层、耐腐层和润滑层；支撑层，沉积于基体之上，支撑层材质为Si3N4和/或TiO2；耐腐层，沉积于支撑层之上，耐腐层材质为ZrO2和/或ZrYOx，润滑层，沉积于耐腐层之上，润滑层材质为ZnAlOy。本发明采用磁控溅射法将所述的支撑层、耐腐层和润滑层依次溅镀在基体上。依据本发明所制备的涂层，具有较高的硬度和耐酸碱腐蚀性，不仅可以保护基体免于摩擦、侵蚀等的破坏，而且所述的支撑层、耐腐层和润滑层光透过率高，保持了基体原有外观和光学透明功能，更适于实际应用。

Description

一种透明可钢抗划伤涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种涂层，特别是涉及一种透明可钢抗划伤涂层及其制备方法。
背景技术
触摸屏、光学镜头、汽(列)车风挡玻璃、飞机透明件等各种功能玻璃在使用过程中极易发生磨损、划伤等损害，这将导致产品功能下降，使用寿命缩短。如果在这些功能玻璃表面沉积一层耐划伤涂层，在满足光学透过性要求的前提下提高玻璃的抗划伤、耐腐蚀能力，将大大延长材料在使用过程中，特别是风沙和腐蚀等各种恶劣环境中的使用寿命。
目前在各种功能玻璃表面使用较多的无机保护膜层主要有氮化硅、氮化钛、类金刚石等，其中镀有氮化钛薄膜的玻璃存在较强的光学反射和吸收，透明性差；氮化硅薄膜虽具有较高的硬度和透明度但不耐碱腐蚀，不宜长期暴露在大气环境中；类金刚薄膜虽然具有硬度高、摩擦系数低的特点，但内应力大易脱膜，此外由于其主要成分是碳元素，所以不能进行热钢化。而玻璃表面有机保护涂层的硬度较小，耐划伤效果有限，而且普遍使用的旋涂或贴膜等涂层制备办法不利于大面积生产和应用。
所以现在市场上急需一种透明性佳、耐腐蚀性好、抗划伤性能强、并且可以经受玻璃热钢化过程的涂层，然而单独某一种材料很难同时满足上述要求。
发明内容
本发明的主要目的在于，在现有的玻璃制品表面沉积一层透明、可钢化、抗划伤的涂层，所述的涂层包括支撑层、耐腐层和润滑层，所要解决的技术问题是保护玻璃制品免于磨损、划伤等损害，所述的涂层同时具备透明性佳、耐腐蚀性好、抗划伤性能强、可以经受玻璃钢化过程的特点，从而更加适于实用。
本发明的目的及其技术问题是采用以下技术方案实现的。
依据本发明提出的一种透明可钢抗划伤涂层，包括支撑层、耐腐层和润滑层；
支撑层，沉积于基体之上，所述的支撑层材质为Si3N4和/或TiO2；
耐腐层，沉积于所述的支撑层之上，所述的耐腐层材质为ZrO2和/或ZrYOx；
润滑层，沉积于所述的耐腐层之上，所述的润滑层材质为ZnAlOy。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的一种透明可钢抗划伤涂层，其中所述的基体为玻璃。
优选的，前述的一种透明可钢抗划伤涂层，其中所述的支撑层的厚度为5-100nm；和/或所述的耐腐层的厚度为5-30nm；和/或所述的润滑层厚度为1-10nm。
优选的，前述的一种透明可钢抗划伤涂层，其中所述的支撑层通过磁控溅射法沉积于所述的基体；所述的耐腐层通过磁控溅射法沉积于所述的支撑层；所述的润滑层通过磁控溅射法沉积于所述的耐腐层。
优选的，前述的一种透明可钢抗划伤涂层，其中所述的润滑层的摩擦系数为小于0.2。
优选的，前述的一种透明可钢抗划伤涂层，其中所述的涂层可沉积在建筑玻璃、飞机挡风玻璃、轮船挡风玻璃、汽车挡风玻璃或显示屏幕玻璃等的表面作为其保护涂层(即所述的基体为建筑玻璃、飞机挡风玻璃、轮船挡风玻璃、汽车挡风玻璃或显示屏幕玻璃等)。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。
依据本发明提出的一种透明可钢抗划伤涂层的制备方法，包括，
通过磁控溅射法将支撑层沉积于基体，所述的支撑层材质为Si3N4和/或TiO2；
通过磁控溅射法将耐腐层沉积于所述的支撑层，所述的耐腐层为ZrO2和/或ZrYOx；
通过磁控溅射法将润滑层沉积于所述的耐腐层，所述的润滑层为ZnAlOy。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的一种透明可钢抗划伤涂层的制备方法，其中所述的沉积的方法为磁控溅射法，所述的支撑层的溅射靶材为SiAl合金靶和/或TiOx陶瓷靶；所述的耐腐层的溅射靶材为纯金属Zr靶和/或ZrY合金靶；所述的润滑层的溅射靶材为ZnAl合金靶。
优选的，前述的一种透明可钢抗划伤涂层的制备方法，其中所述的支撑层的工作气体为Ar和N2，或Ar和O2，工作气压为0.1-0.3Pa；所述的耐腐层的工作气体为Ar和O2，工作气压为0.1-0.3Pa；所述的润滑层的工作气体为Ar和O2，工作气压为0.1-0.3Pa。
本发明前述的涂层即为沉积在基体表面的，由支撑层、耐腐层和润滑层三层结构构成的涂层。第一层为支撑层，所述的支撑层与被保护的基体材料直接接触，以阻挡基体材料离子扩散侵蚀膜层，支撑层具有高硬度和高致密度的特点，为耐腐层和润滑层提供一个坚实的基础，且支撑层与基体材料具有良好的结合力，起承上启下的作用；第二层为耐腐层，所述的耐腐层具有较高的硬度和弹性模量以及耐酸碱腐蚀性能，可耐常温下1mol/L的HCl溶液和1mol/L的NaOH溶液腐蚀24h；第三层为润滑层，所述的润滑层具有较低的摩擦系数以及与耐腐层良好的结合力。本发明涂层适用于包括触摸屏、光学镜头、汽(列)车风挡玻璃、飞机透明件等各种功能玻璃在内的各种无机玻璃。
借由上述技术方案，本发明提出的一种透明可钢抗划伤涂层及其制备方法至少具有下列优点：
1、本发明中的涂层的支撑层、耐腐层和润滑层选用透明的氮化物或氧化物，可见光区域内的消光系数小于E-10，且支撑层、耐腐层和润滑层的折射率相近，550nm处折射率均为2.0，最大限度的保证了涂层的透光效果。不影响被保护基体的原有外观和光学透明功能。
2、本发明的耐腐层具有较高的硬度和弹性模量，润滑层具有较低的摩擦系数以及与耐腐层良好的结合力，制成的涂层具有较高的抗弹性形变、塑性形变能力和较低的表面粗糙度，可有效保护基体材料不受尖锐物体的划伤；
3、本发明耐腐层的耐酸碱腐蚀性能优异，增长了基体的使用耐久性；同时本发明所用涂层的热稳定性好，在玻璃热钢化温度下物理和化学性质稳定。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明涂层示意图，其中，1为基体，2为支撑层，3为耐腐层，4为润滑层。
图2为镀有实施例1涂层的建筑用玻璃在显微镜下的摩擦磨损形貌。
图3为实施例1基体材料—建筑用玻璃在显微镜下的摩擦磨损形貌。
图4为镀有实施例1涂层的建筑用玻璃在可见光区域的透过率。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的涂层及其制备方法的具体实施方式、结构、特征和功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
实施例1
将建筑用玻璃作为基体材料，经由镀膜设备进片室传送进入溅射室，其中溅射室的本底真空优于2×10-4Pa基体在溅射腔室中的传送速度为0.5m/min。
首先在玻璃基体上沉积支撑层：采用脉冲直流磁控反应溅射法在玻璃基体上沉积Si3N4薄膜形成支撑层，使用的靶材是SiAl合金靶(含Al 10％wt)，工作气体为高纯Ar(纯度99.99％)和高纯N2(纯度99.99％)，脉冲直流电源溅射功率为2500W，工作气压为0.3Pa，Ar流量为30sccm，N2流量为40sccm，镀膜过程中不进行加热。
玻璃基体从SiAl靶下经过之后表面沉积了一层Si3N4薄膜，完成了支撑层的制备，基体继续向前传动，在支撑层上进行耐腐层的制备：采用脉冲直流磁控反应溅射法在支撑层上沉积ZrO2薄膜形成耐腐层，使用的靶材是纯金属Zr靶，工作气体为Ar和O2(纯度99.99％)，脉冲直流电源溅射功率为2000W，工作气压为0.3Pa，Ar流量为20sccm，O2流量为23sccm，镀膜过程中不进行加热。
完成了支撑层和耐腐层的制备后，玻璃基体继续向前传动，在耐腐层上进行润滑层的制备：采用脉冲直流磁控反应溅射法在耐腐层上沉积ZnAlOx薄膜形成润滑层，使用的靶材是ZnAl合金靶(含Al 2％wt)，工作气体为Ar和O2，脉冲直流电源溅射功率为400W，工作气压为0.3Pa，Ar流量为20sccm，O2流量为30sccm，镀膜过程中不进行加热。
涂层制备完毕，将镀膜玻璃基体送出溅射腔室(制得的镀膜玻璃基体如图1所示)。
依据本发明提供的方法在玻璃样品上沉积透明可钢抗划伤涂层后，可以显著提高其耐划伤能，遭受尖锐硬质物体的刮擦表面不产生明显的划痕，见图2。图3为未镀膜玻璃摩擦磨损显微图像，摩擦磨损实验所用磨球为直径4mm的氮化硅小球，载荷为20g，摩擦频率为100r/min，摩擦时间30min。可以看到经过30min的摩擦磨损试验未镀膜的玻璃表面发生严重破损，产生大量碎屑，磨痕宽度较大；而镀有本发明涂层的玻璃表面没有产生任何破损，只有一道细微的压痕。图4为镀有本发明涂层玻璃在可见光区域的透过率，其平均透过率为81％，保持了玻璃高透过率的特点。
参照标准GB/T 14915.1-2002测试薄膜的耐酸碱腐蚀性能：选用浓度为1mol/L的盐酸溶液和浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液作为测试介质，测试设定温度为23±2℃，测试周期为24h。
耐酸性的测试结果为：浸渍前后的可见光透射比差值的绝对值为：0.5％。
耐碱性的测试结果为：浸渍前后的可见光透射比差值的绝对值为：0.3％。
以上数据说明，本发明制备的涂层透光率高，且具有耐酸碱腐蚀的性能。
实施例2
本实施例的基体材料为飞机挡风玻璃；
支撑层的材质为TiO2，溅射靶材为TiOx陶瓷靶，厚度为8nm，工作气体为Ar和O2，工作气压为0.1Pa；
耐腐层的材质为ZrYOx，溅射靶材为ZrY合金靶，厚度为5nm，工作气体为Ar和O2，工作气压为0.1Pa；
润滑层的材质为ZnAlOy，溅射靶材为ZnAl合金靶，厚度为1nm，工作气体为Ar和O2，工作气压为0.1Pa。
本实施例其他的试验条件与实施例1相同或做适当调整。
本实施例制得的镀有本发明涂层的飞机挡风玻璃在可见光区域的平均透过率为83％，保持了玻璃高透过率的特点。
参照标准GB/T 14915.1-2002测试薄膜的耐酸碱腐蚀性能：选用浓度为1mol/L的盐酸溶液和浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液作为测试介质，测试设定温度为23±2℃，测试周期为24h。
耐酸性的测试结果为：浸渍前后的可见光透射比差值的绝对值为：0.5％。
耐碱性的测试结果为：浸渍前后的可见光透射比差值的绝对值为：0.5％。
以上数据说明，本发明制备的涂层透光率高，且具有耐酸碱腐蚀的性能。
实施例3
本实施例的基体材料为轮船挡风玻璃；
支撑层的材质为Si3N4和TiO2，溅射靶材为SiAl合金靶和TiOx陶瓷靶，厚度为100nm，工作气体为Ar、N2和O2，工作气压为0.2Pa；
耐腐层的材质为ZrO2和ZrYOx，溅射靶材为纯金属Zr靶和ZrY合金靶，厚度为15nm，工作气体为Ar和O2，工作气压为0.2Pa；
润滑层的材质为ZnAlOy，溅射靶材为ZnAl合金靶，厚度为5nm，工作气体为Ar和O2，工作气压为0.2Pa。
本实施例其他的试验条件与实施例1相同或做适当调整。
本实施例制得的镀有本发明涂层的轮船挡风玻璃在可见光区域的平均透过率为85％，保持了玻璃高透过率的特点。
参照标准GB/T 14915.1-2002测试薄膜的耐酸碱腐蚀性能：选用浓度为1mol/L的盐酸溶液和浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液作为测试介质，测试设定温度为23±2℃，测试周期为24h。
耐酸性的测试结果为：浸渍前后的可见光透射比差值的绝对值为：1％。
耐碱性的测试结果为：浸渍前后的可见光透射比差值的绝对值为：0.5％。
以上数据说明，本发明制备的涂层光透过率高，且具有强耐酸碱腐蚀的性能。
实施例4
本实施例的基体材料为汽车挡风玻璃；
支撑层的材质为Si3N4，溅射靶材为SiAl合金靶，厚度为80nm，工作气体为Ar和N2，工作气压为0.3Pa；
耐腐层的材质为ZrO2，溅射靶材为纯金属Zr靶，厚度为30nm，工作气体为Ar和O2，工作气压为0.3Pa；
润滑层的材质为ZnAlOy，溅射靶材为ZnAl合金靶，厚度为10nm，工作气体为Ar和O2，工作气压为0.3Pa。
本实施例其他的试验条件与实施例1相同或做适当调整。
本实施例制得的镀有本发明涂层的汽车挡风玻璃在可见光区域的平均透过率为85％，保持了玻璃高透过率的特点。
参照标准GB/T 14915.1-2002测试薄膜的耐酸碱腐蚀性能：选用浓度为1mol/L的盐酸溶液和浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液作为测试介质，测试设定温度为23±2℃，测试周期为24h。
耐酸性的测试结果为：浸渍前后的可见光透射比差值的绝对值为：1.5％。
耐碱性的测试结果为：浸渍前后的可见光透射比差值的绝对值为：0.5％。
以上数据说明，本发明制备的涂层，且具有强耐酸碱腐蚀的性能。
实施例5
本实施例的基体材料为显示屏幕玻璃；
支撑层的材质为Si3N4，溅射靶材为SiAl合金靶，厚度为10nm，工作气体为Ar和N2，工作气压为0.1Pa；
耐腐层的材质为ZrO2，溅射靶材为纯金属Zr靶，厚度为5nm，工作气体为Ar和O2，工作气压为0.1Pa；
润滑层的材质为ZnAlOy，溅射靶材为ZnAl合金靶，厚度为1nm，工作气体为Ar和O2，工作气压为0.1Pa。
本实施例其他的试验条件与实施例1相同或做适当调整。
本实施例制得的镀有本发明涂层的显示屏幕玻璃在可见光区域的平均透过率为87％，保持了显示屏幕玻璃高透过率的特点。
参照标准GB/T 14915.1-2002测试薄膜的耐酸碱腐蚀性能：选用浓度为1mol/L的盐酸溶液和浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液作为测试介质，测试设定温度为23±2℃，测试周期为24h。
耐酸性的测试结果为：浸渍前后的可见光投射比差值的绝对值为：0.3％。
耐碱性的测试结果为：浸渍前后的可见光投射比差值的绝对值为：0.2％。
以上数据说明，本发明制备的涂层光透过率高，且具有耐酸碱腐蚀的性能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种透明可钢抗划伤涂层，其特征在于，包括：
所述的涂层包括支撑层、耐腐层和润滑层；
支撑层，沉积于基体之上，所述的支撑层材质为Si3N4和/或TiO2；
耐腐层，沉积于所述的支撑层之上，所述的耐腐层材质为ZrO2和/或ZrYOx；
润滑层，沉积于所述的耐腐层之上，所述的润滑层材质为ZnAlOy。
2.根据权利要求1所述的一种透明可钢抗划伤涂层，其特征在于：
所述的基体为玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种透明可钢抗划伤涂层，其特征在于：
所述的支撑层的厚度为5-100nm；和/或
所述的耐腐层的厚度为5-30nm；和/或
所述的润滑层的厚度为1-10nm。
4.根据权利要求1所述的一种透明可钢抗划伤涂层，其特征在于：
所述的支撑层通过磁控溅射法沉积于所述的基体；
所述的耐腐层通过磁控溅射法沉积于所述的支撑层；
所述的润滑层通过磁控溅射法沉积于所述的耐腐层。
5.根据权利要求1所述的一种透明可钢抗划伤涂层，其特征在于：
所述的润滑层的摩擦系数为小于0.2。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种透明可钢抗划伤涂层，其特征在于：
所述的涂层可沉积在建筑玻璃、飞机挡风玻璃、轮船挡风玻璃、汽车挡风玻璃或显示屏幕玻璃的表面作为其保护涂层。
7.一种透明可钢抗划伤涂层的制备方法，其特征在于：包括，
通过磁控溅射法将支撑层沉积于基体，所述的支撑层材质为Si3N4和/或TiO2；
通过磁控溅射法将耐腐层沉积于所述的支撑层，所述的耐腐层为ZrO2和/或ZrYOx；
通过磁控溅射法将润滑层沉积于所述的耐腐层，所述的润滑层为ZnAlOy。
8.根据权利要求7所述的一种透明可钢抗划伤涂层的制备方法，其特征在于：
所述沉积的方法为磁控溅射法，
所述的支撑层的溅射靶材为SiAl合金靶和/或TiOx陶瓷靶；
所述的耐腐层的溅射靶材为纯金属Zr靶和/或ZrY合金靶；
所述的润滑层的溅射靶材为ZnAl合金靶。
9.根据权利要求7所述的一种透明可钢抗划伤涂层的制备方法，其特征在于：
所述的支撑层的工作气体为Ar和N2，或Ar和O2，工作气压为0.1-0.3Pa；
所述的耐腐层的工作气体为Ar和O2，工作气压为0.1-0.3Pa；
所述的润滑层的工作气体为Ar和O2，工作气压为0.1-0.3Pa。
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