基于铬的反射涂层制造技术

本发明专利技术提供了一种用于聚合物型基材的基于铬的反射涂层，其中所述涂层具有200nm或更小的厚度，并且是铬与掺杂材料的合金，所述掺杂材料选自六方密堆积的过渡金属，所述合金具有主要的体心立方相与次要的Ω六方密堆积相共存的晶体结构。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于铬的反射涂层本申请要求2012年1月24日提交的澳大利亚临时专利申请2012900267的优先权，该临时专利申请的内容视为以引用方式并入本文。
本专利技术涉及用于聚合物型基材的反射涂层，特别是基于铬的涂层，所述涂层是能够提供良好的耐磨性与中性色的涂层。本专利技术既涉及所述涂层自身又涉及向聚合物型基材施加所述涂层的方法。专利技术背景与传统材料如玻璃相比，聚合物型材料在商业和工业应用二者中都具有许多优势。通常，它们为其使用者提供设计自由度以及有利的性质如减小的重量和降低的生产成本。聚合物型基材的表面工程的一个有趣的应用领域为设计超薄涂层供用于“日常”环境中，例如智能手机上的易清洁涂层到汽车工业中的镜和装饰性(彩色)涂层的。加长地暴露于这些“日常”环境条件要求这样的超薄涂层具有一定程度的抗以下因素的耐用性：例如酸性或碱性环境、从低到-80℃至高到+80℃的温度变化、相对湿度变化以及日常磨损造成的研磨条件。另外，在几乎所有采用此类涂层的应用中，需要涂层在变化的环境条件下在长的工作时间内保持其完整性。也就是说，在此时间内，涂层不应显著改变反射率或颜色，也不应与下面的基材层离或脱离。然而，向聚合物型材料施加适宜的涂层是特别困难，因为传统的涂布方法通常要求可以承受高温(常常>150℃)的基材。由于最常见的聚合物型材料具有较低的软化温度，故缺乏用于这些基材的适宜涂层。迄今，关于开发耐用的耐磨超薄涂层的大多数工作因此聚焦于沉积硬质化合物如硼化物、碳化物和氮化物到硬质/耐热基材如金属和陶瓷上。然而，沉积技术中使用的高温不适宜用在聚合物型基材上。因此，需要可以被施加到具有较低软化温度的聚合物型基材的超薄涂层，所述涂层仍能够提供期望的物理性质如耐磨性、反射率(优选具有大于50％的R％)和中性(或期望的)颜色。具体到颜色，整个本说明书中提及“中性”色是指由根据1976CIEL*a*b*空间(或CIELAB)颜色模型所测定的L*、a*和b*值所定义的颜色，该颜色模型是以立方体形式组织的大致均匀的色标。在正交的a*和b*色轴中，正a*值为红色，负a*值为绿色，正b*值为黄色，负b*值为蓝色，而亮度(或灰度)L*的垂直标度从0(黑色)变化到100(白色)，从而允许以三个点定位总颜色E。颜色的色度(C*)定义为√(a*2+b*2)，并用来量化色级而与其亮度无关。理想地，对于中性的颜色E，C*将小于或等于1并且颜色E将因此靠近中性L*轴。引入上面的背景讨论是为了说明本专利技术的背景。其不应视为承认任何所提及的材料在任何一项权利要求的优先权日是出版的、已知的或是公知常识的一部分。
技术实现思路
本专利技术提供了用于聚合物型基材的基于铬的反射涂层，其中所述涂层具有200nm或更小的厚度并且是铬与掺杂材料的合金，所述掺杂材料选自六方密堆积的过渡金属，所述合金具有主要的体心立方相与次要的Ω六方密堆积相共存的晶体结构。在本专利技术的一个优选形式中，合金为铬与所述掺杂材料的二元合金。本专利技术还提供了在聚合物型基材上形成基于铬的反射涂层的方法，所述方法包括通过物理气相沉积向聚合物型基材施加铬和掺杂材料，所述掺杂材料选自六方密堆积的过渡金属，以形成具有200nm或更小的厚度的合金涂层，所述合金涂层被施加以便具有主要的体心立方相与次要的Ω六方密堆积相共存的晶体结构。在本专利技术的一个优选形式中，所述合金被施加以便为铬与所述掺杂材料的二元合金。铬为第6族过渡金属成员并具有体心立方(bcc)晶体结构。作为主要组分引入为两种主要金属组分的合金的本专利技术优选二元合金中，铬主要用以产生耐腐蚀的光泽硬表面，从而带给合金期望的光学反射率性质，优选R％大于50％，以便可接受地用于镜的形成中。其具有高熔点、稳定的结晶结构和中等的热膨胀，使得其为用于上述严苛环境条件中的理想主要组分。所述优选的二元合金的次要组分为上面提到的掺杂材料，本文中所述掺杂材料常被称为M并选自六方密堆积(hcp)的过渡金属。所述hcp结构是过渡金属中最常见的，包括过渡金属锆(Zr)、钛(Ti)、钴(Co)、铪(Hf)、铷(Ru)、钇(Y)和锇(Os)。就此而言，这些hcp过渡金属中的一些，如Zr、Ti和Co，是实践上更容易操作的材料，故就本专利技术的目的而言，将为优选的掺杂材料。虽然预计Zr将为最优选的hcp掺杂材料并因此本文主要参照Zr作为hcp掺杂材料来描述本专利技术，但这不应认为是对本专利技术的范围的限制。在本专利技术的一个优选形式中，所述合金为二元合金并且所述二元合金中掺杂材料的原子百分率在约1.9原子％至约5.8原子％的范围内。然而，在此宽范围内，可以存在关于特定掺杂材料的更窄范围，这将在下文进一步描述。现已发现，向铬(bcc过渡金属)中引入少量的hcp掺杂材料可以产生一系列具有金属间晶体结构的合金组合物，所述金属间晶体结构具有共存的bcc和Ω-hcp相，现已发现这将提供这些合金更有利的性质(超过单独的铬的那些性质)。实际上，现已发现，相对于铬的量，仔细选择hcp掺杂材料量可以产生在特别优选的那些范围内的合金组合物，其中期望的性质(如耐磨性)被最大化而不期望的性质(如非中性色的颜色)被最小化。作为说明，现已发现，随着掺杂材料的元素组成增加，根据本专利技术的涂层将改变相组成，从仅bcc到bcc加Ω-hcp到bcc加非晶相。所观察到的所述涂层的光学和力学性质表现出与这些组成变化相配的变化，当相组成为bcc加Ω-hcp时出现优选的光学和力学性质。不希望受理论束缚，据信所观察到的变化归因于原子的电子结构及相对于彼此的结晶构象的改变。具体而言，当相组成为bcc加Ω-hcp时，涂层的晶体结构展现出d-轨道跃迁，这产生了中性色和相对较低的反射率，且以良好有序的晶体结构产生较高的相对耐磨性。比较起来，当存在非晶相时，不再观察到d-轨道跃迁，表明相邻原子之间的轨道杂化部分地填充d-轨道，这对应于较不优选的较低反射率。此外，发现这样的非晶相中较低的原子堆积密度产生耐磨性降低的涂层，这当然也是较不期望的。考虑到这一点并以通式CrMx中的M提及掺杂材料，当掺杂材料为Zr时，发现当x的值为约0.06(对应于约5.8原子％)时发生此从bcc加Ω-hcp到bcc加非晶相的相转变。对于Ti和Co，预期在大约相同的x值下发生相同的转变。与反射率不同，发现本专利技术的涂层的颜色在相从bcc加Ω-hcp到bcc加非晶相的相转变时不表现出成趋势的变化。相反，在相从bcc到bcc加Ω-hcp的相转变时(对于Zr来说，发现在所述x(上面的通式中)为约0.05(对应于约4.5原子％的下限)值下发生)，发现本专利技术的涂层的颜色转变。这暗示在作为掺杂材料的Zr浓度接近约4.5原子％时电子结构中开始发生轨道杂化。然而，对于Co作为掺杂材料，发现相同的转变点为约1.9原子％。作为说明，并再次使用Zr作为示例性的hcp掺杂材料，在低浓度下，当增加Zr的元素组成时，耐磨性将增加。在从bcc到bcc加Ω-hcp转变时观察到耐磨性的最大值，其后，增加Zr浓度将导致测得的磨损率的稳步减小。实际上，从CrZrx涂层的电子衍射分析确定了代表从一个相组成到另一个相组成变化的两个转变浓度。对于Zr作为掺杂材料，这些转变在约x＝0.05(bcc到bcc+Ω-hcp)和约0.06(bcc+Ω-hcp本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于聚合物型基材的基于铬的反射涂层，其中所述涂层具有200nm或更小的厚度，并且是铬与掺杂材料的合金，所述掺杂材料选自六方密堆积的过渡金属，所述合金具有主要的体心立方相与次要的Ω六方密堆积相共存的晶体结构。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.01.24 AU 20129002671.用于聚合物型基材的基于铬的反射涂层，其中所述涂层具有200nm或更小的厚度，并且是铬与掺杂材料的合金，所述掺杂材料选自六方密堆积的过渡金属，所述合金具有主要的体心立方相与次要的Ω六方密堆积相共存的晶体结构。2.根据权利要求1所述的基于铬的反射涂层，其中所述合金为铬与所述掺杂材料的二元合金。3.根据权利要求2所述的基于铬的反射涂层，其中所述二元合金中所述掺杂材料的原子百分率在1.9原子％至5.8原子％的范围内。4.根据权利要求1所述的基于铬的反射涂层，其中所述掺杂材料选自六方密堆积的过渡金属锆、钛、钴、铪、铷、钇和锇。5.根据权利要求1所述的基于铬的反射涂层，其中所述掺杂材料选自六方密堆积的过渡金属锆、钛和钴。6.根据权利要求1所述的基于铬的反射涂层，其中所述合金为二元合金，所述掺杂材料为锆，并且其中所述二元合金中所述锆的原子百分率在4.5原子％至5.8原子％的范围内。7.根据权利要求1所述的基于铬的反射涂层，其中所述合金为二元合金，所述掺杂材料为钛，并且其中所述二元合金中所述钛的原子百分率在1.9原子％至5.8原子％的范围内。8.根据权利要求1所述的基于铬的反射涂层，其中所述合金为二元合金，所述掺杂材料为钴，并且其中所述二元合金中所述钴的原子百分率在1.9原子％至5.7原子％的范围内。9.根据权利要求1至8中任一项所述的基于铬的反射涂层，其中所述涂层的厚度为100nm或更小。10.根据权利要求1至8中任一项所述的基于铬的反射涂层，其中所述涂层的厚度在40nm至80nm的范围内。11.根据权利要求1至8中任一项所述的基于铬的反射涂层，其中所述涂层的厚度在50nm至70nm的范围内。12.根据权利要求1至8中任一项所述的基于铬的反射涂层，其中所述涂层的厚度为60nm。13.在聚合物型基材上形成基于铬的反射涂层的方法，所述方法包括通过物理气相沉积向所述聚合物型基材施加铬和掺杂材料，所述掺杂材料选自六方密堆积的过渡金属，以形成具有200nm或更小的厚度的合金涂层，施加所述合金涂层以便具有主要的体心立方相与次要的Ω六方密堆积相共存的晶体结构。14.根据权利要求13所述的方法，其中所述合金为铬与所述掺杂材料的二元合金。15.根据权利要求14所述的方法，其中所述二元合金中所述掺杂材料的原子百分率在1...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·R·埃文斯，K·朱伯，C·J·霍尔，S·D·菲尔德，
申请(专利权)人：SMR专利责任有限公司，南澳大学，
类型：发明
国别省市：卢森堡;LU