一种聚合物表面装饰耐磨涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种聚合物表面装饰耐磨涂层，包括聚合物，以及形成与聚合物表面的耐磨涂层；所述耐磨涂层为Cr/Cu/N纳米复合结构涂层，其中，Cr以纳米晶结构的形式存在，Cu和N以固溶的形式存在于所述Cr纳米晶结构中，其中，Cu元素的原子百分含量为10％～15％，N元素的原子百分含量为10％～20％，Cr元素的原子百分含量为65％～80％。该聚合物表面装饰耐磨涂层具有较高硬度，耐磨寿命，与聚合物基材具有较高的结合力，且具有金属色泽。本发明专利技术还提供了一种聚合物表面装饰耐磨涂层的制备方法。该制备方法能够制备结构致密的Cr/Cu/N纳米复合结构涂层。构涂层。构涂层。

【技术实现步骤摘要】
一种聚合物表面装饰耐磨涂层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及材料表面处理技术，尤其涉及一种聚合物表面的装饰耐磨涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]聚合物高分子材料作为与钢铁和玻璃陶瓷并列的重要基础材料，与人们的日常生活密切相关。大多数机电产品及其支撑材料等都是由聚合物制作的，聚合物材料独特的结构和易改性、易加工特点，使其具有其他材料不可比拟、不可取代的优异性能，从而广泛用于科学技术、国防建设和国民经济各个领域，并已成为现代社会生活中衣食住行用各个方面不可缺少的材料。
[0003]聚合物材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和聚合物基复合材料等。聚合物产品的性能和使用寿命取决于聚合物材料的性能好坏，聚合物高分子材料的结构决定其性能，对结构的控制和改性，可获得不同特性的聚合物材料。
[0004]聚合物材料具有重量轻，比强度高，耐腐蚀等优异的综合性能，被广泛应用于机械、电子电气、汽车、建筑等领域。在汽车装饰零部件、卫浴五金等行业，对聚合物产品一方面有很强的表面装饰性要求，其中具有银白色金属外观的产品占总产品的80％以上，另一方面还要求表面具有优异的耐磨性。
[0005]虽然聚合物具有诸多优异性能，但其不具有金属外观，同时高分子材料自身耐磨损性不足，导致其使用时的性能以及服役寿命受到影响。电镀铬涂层是赋予聚合物产品银白色金属外观并提高表面耐磨性的传统技术，目前汽车和卫浴行业表面处理仍以电镀技术为主。然而，电镀工艺过程会对环境造成严重污染，尤其是电镀六价铬离子还对人体有致癌作用，在欧盟、美国等国家均已被严格限制。因此对聚合物产品表面新型环保装饰耐磨防护涂层技术提出了强烈需求。
[0006]另外，传统湿法电镀工艺还存在的不足有：耗水耗能大；向环境排放大量含重金属离子、氰化物、酸碱和有机污染物的废水废液，以及含各类酸雾和粉尘的有毒废气；容易引发火灾，造成重大损失，而且由于现场有大量化学物质，火势难以控制且极易发生爆炸，危害极大。
[0007]物理气相沉积(PVD)技术具有涂层性能优异、工艺灵活性强、过程环保无污染等优点，尤其是沉积温度低，基材适应范围广，对于聚合物材料具有较强的适应性，因此PVD改性涂层成为了替代电镀六价铬涂层的研究热点。然而，聚合物材料质软，铬涂层具有硬脆性，二者力学性能差异大，且热膨胀系数差异很大，如何采用PVD技术获得结构完整，结合力优异的银白色金属感涂层成为了技术难点之一；另一方面，PVD涂层厚度不足电镀铬涂层的十分之一，如何依靠超薄涂层提高软基材的表面耐磨性，是另一项技术难点。

技术实现思路

[0008]本专利技术提供一种结合力优异，具有较高耐磨性和表面金属感的聚合物表面装饰耐磨涂层。
[0009]一种聚合物表面装饰耐磨涂层，包括聚合物，以及形成与聚合物表面的耐磨涂层；
[0010]所述耐磨涂层为Cr/Cu/N纳米复合结构涂层，其中，Cr以纳米晶结构的形式存在，Cu和N以固溶的形式存在于所述Cr纳米晶结构中，其中，Cu元素的原子百分含量为10％～15％，N元素的原子百分含量为10％～20％，Cr元素的原子百分含量为65％～80％。
[0011]金属铬具有较高的弹性模量，铜作为一种软金属本身具有较低的弹性模量，因此本专利技术通过以固溶的形式向Cr纳米晶结构中加入Cu，能够降低复合结构涂层的弹性模型，使得复合结果涂层与聚合物表面力学性能更加匹配。同时结合等离子体前处理，使聚合物表面活化提高表面能，两种方式共同作用使得涂层与基材之间具有良好的结合力，通过以固溶的形式向Cr纳米晶结构中加入N，使得复合结构涂层具有较高的耐磨性，并且复合涂层表面具有较好的表面金属感。
[0012]合适的Cu和N元素含量能够促使Cr形成纳米晶结构，从而具有高的硬度、优异的韧性和耐磨性。Cu元素加入量过高会导致析出，从而使涂层硬度和耐磨性大幅下降，N元素加入过高会导致涂层韧性降低，从而容易出现脆性剥落。
[0013]所述的Cr的晶粒尺寸为10
‑
25nm，纳米结构的优点是在纳米晶粒尺寸范围内具有异常高的硬度和屈服强度，虽然纳米晶具有硬化作用，但当晶粒尺寸接近典型晶界尺寸时(即当晶粒直径减小到5
‑
10nm以下时)，晶界内可能发生晶粒旋转，导致“反向”软化效应。在优化的晶粒尺寸范围内，细晶强化作用最优，小于或大于该晶粒尺寸范围，涂层硬度均有所下降。
[0014]所述的耐磨涂层的厚度为200
‑
500nm。
[0015]所述的聚合物为ABS、PC、PET、PMMA或PEEK中的一种或多种。
[0016]本专利技术还提供了所述的聚合物表面装饰耐磨涂层的制备方法，包括：
[0017](1)将聚合物基材置于真空腔体中，采用离子源对聚合物基材进行前处理；
[0018](2)同时开启两个磁控溅射靶向聚合物基材进行共沉积，其中，一个磁控溅射靶材为铬靶材，另一磁控溅射靶材为铜靶材，沉积过程中同时通入氩气和氮气，沉积15～30min得到聚合物表面装饰耐磨涂层。
[0019]离子源对聚合物基材表面进行轰击，能够对聚合物表面进行清洁和活化，如采用Ar离子轰击，一方面能够在基材微观上形成粗糙表面，从而增加基材与涂层之间的接触面积；另一方面，离子轰击有可能使基材表面的碳原子变为不饱和碳原子，形成碳空键，从而与涂层原子之间形成化学键合，化学键合力远远大于物理吸附的强度。如采用O离子轰击，除了上述两种可能的结果以外，还有可能形成碳氧活性基团，与涂层之间形成偶极力或化学健力，因此有效提高了涂层与聚合物之间的表面结合力。
[0020]步骤(1)中，所述的真空腔体的真空度为(2.0～4.0)
×
10
‑5Torr。
[0021]步骤(1)中，所述的离子源为阳极层离子源、霍尔离子源，进一步的，所述的离子源为阳极层离子源。
[0022]步骤(1)中，所述的离子源对聚合物基材进行前处理的同时，通入氩气、氮气或氧气中的一种或多种。
[0023]步骤(2)中，所述的铬靶材采用高功率脉冲电源实现溅射，所述的铜靶材采用直流电源实现溅射，所述铬靶材的溅射功率为2500～3500W，所述铜靶材的溅射功率为300～500W。
[0024]进一步的，所述的铬靶材的溅射功率是铜靶的溅射功率的5～8倍。
[0025]步骤(2)中，所述的铜靶材和铬靶材分别与真空腔体中心连线，两条连线之间的夹角为40～60度，优选为50度。
[0026]步骤(2)中，所述的聚合物基材位于铬靶材和腔体中心的连线上，与铬靶材的距离为10～20cm，优选为13～16cm,铜靶材的距离为20～35cm,优选为25～30cm。
[0027]基材位于上述优选位置，能够保证同时接收到两个靶材溅射出的金属原子或离子，同时结合功率控制获得预设的元素含量。
[0028]步骤(2)中，通入的氩气和氮气的流量比为5:1
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚合物表面装饰耐磨涂层，其特征在于，包括聚合物，以及形成与聚合物表面的耐磨涂层；所述耐磨涂层为Cr/Cu/N纳米复合结构涂层，其中，Cr以纳米晶结构的形式存在，Cu和N以固溶的形式存在于所述Cr纳米晶结构中，其中，Cu元素的原子百分含量为10％～15％，N元素的原子百分含量为10％～20％，Cr元素的原子百分含量为65％～80％。2.根据权利要求1所述的聚合物表面装饰耐磨涂层，其特征在于，所述的Cr的晶粒尺寸为10
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25nm。3.根据权利要求1所述的聚合物表面装饰耐磨涂层，其特征在于，所述的耐磨涂层的厚度为200
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500nm。4.根据权利要求1所述的聚合物表面装饰耐磨涂层，其特征在于，所述的聚合物为树脂或橡胶，所述树脂为ABS、PC、PET、PMMA、PEEK中的一种或多种。5.根据权利要求1
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4任一项所述的聚合物表面装饰耐磨涂层的制备方法，包括：(1)将聚合物基材置于真空腔体中，采用离子源对聚合物基材进行前处理；(2)同时开启两个磁控溅射靶向聚合物基材进行共沉积，其中，一个磁控溅射靶材为铬靶材，另一磁控溅射靶...

【专利技术属性】
技术研发人员：张栋，汪爱英，张亚东，柯培玲，陈仁德，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：