通过溅射技术在聚碳酸酯基材上制备的大面积结构色TiAlN/Al/TiN/TiAlN涂层，具有优异的附着力

《Applied Nursing Research》：Large-area structural color TiAlN/Al/TiN/TiAlN coatings with robust adhesion on polycarbonate via sputtering

采用磁控溅射在聚碳酸酯基材上制备TiAlN/Al/TiN/TiAlN多层结构色涂层，解决热敏感性和附着力问题，提升颜色亮度和耐久性，实现环境友好的大规模生产。

　　本研究围绕聚碳酸酯（PC）基材上结构色的大规模制备展开，旨在解决其在装饰和功能应用中所面临的挑战。PC作为一种广泛应用于光学存储设备、汽车与飞机部件以及建筑面板的材料，因其高抗冲击性、延展性、阻燃性和低成本而备受青睐。然而，PC材料的热敏感性和涂层附着力不足，限制了其在结构色应用中的潜力。传统的结构色制备方法依赖于化学颜料，但这些颜料不仅会造成严重的环境污染，而且容易褪色。相比之下，自然界中鲜艳的色彩往往源于结构色机制，即通过光与微纳米结构的相互作用产生色彩。这种机制具备高亮度、色彩稳定性和环保性等优势，因此在人工复制结构色方面具有重要意义。

为了实现结构色在PC上的可靠制备，研究团队提出了一种创新的多层涂层结构：TiAlN/Al/TiN/TiAlN。该结构通过XPS分析确认，在PC基材表面形成了强化学键，如C─N、(C─O)─(Ti, Al, N)、C─Ti和C─Al等。这些化学键的形成显著增强了涂层与基材之间的结合力，从而避免了传统方法中常见的附着力不足问题。此外，该结构还引入了高反射率的Al层，以增强整体的结构色亮度，同时在后续的TiN/TiAlN层中实现了色彩饱和度高、视角独立性强的结构色效果。实验结果显示，这种多层结构不仅具有高硬度（1.1 GPa）和强附着力（临界载荷为12.95 N），而且在自然老化实验中表现出优异的耐久性。

在实验方法方面，研究团队采用了直流（DC）磁控溅射技术，这是一种在装饰性结构色涂层制备中具有显著优势的方法。该技术不仅提供了环保的工艺流程，还能够在较低的沉积温度下形成致密、均匀的薄膜，并实现精确的成分控制。然而，现有研究在PC材料上的应用仍较为有限。例如，尽管有研究通过磁控溅射技术在不锈钢基材上制备了具有高饱和度的AlTiN薄膜，但其沉积温度高达450°C，对于热敏感的PC材料来说显然过高。此外，一些研究尝试通过等离子蚀刻在PC基材上制备装饰性Cr涂层，但所获得的色彩局限于银白色，缺乏多样性。另一些研究则使用磁控溅射技术在PC和聚酰胺（PA）基材上沉积钛氧化物（TiNxOy）涂层，成功获得了绿色、紫色、品红和蓝色四种颜色，但色彩饱和度较低。

因此，研究团队致力于开发一种适用于PC基材的结构色涂层系统，该系统不仅能够克服PC材料与金属涂层之间因材料性质差异导致的附着力问题，还能够在不损害基材的情况下实现高亮度、高饱和度的结构色效果。实验过程中，团队首先对基材进行了充分的预处理，以确保其表面清洁度。所有基材均在超声波清洗机中使用异丙醇和去离子水进行15分钟的清洗，随后进行干燥处理。这种预处理步骤对于后续涂层的均匀性和附着力至关重要。

在涂层的形貌分析方面，团队利用扫描电子显微镜（SEM）对PC基材上的TiAlN/Al/TiN/TiAlN多层结构进行了详细观察。结果显示，PC-Ti/Al/TiN/TiAlN涂层的表面呈现出可见的、不均匀分布的突起结构。这些突起是由直径约为220纳米的小颗粒组成的，如图3b所示。相比之下，PC-TiAlN/Al/TiN/TiAlN涂层的表面则呈现出极其光滑的特性，没有明显的缺陷，如针孔、裂纹或大颗粒。这种光滑的表面结构不仅有助于提高结构色的均匀性，还能够增强涂层的光学性能和机械稳定性。

在性能测试方面，团队通过纳米压痕和划痕测试对涂层的硬度和附着力进行了评估。实验结果显示，该多层结构的硬度达到了1.1 GPa，远高于传统涂层的硬度水平。同时，其附着力也表现出优异的性能，临界载荷达到了12.95 N，说明涂层与基材之间的结合力非常强。此外，团队还进行了自然老化实验，以评估涂层的长期耐久性。实验结果表明，该结构在自然环境下表现出良好的稳定性，能够有效抵抗环境因素对结构色的影响。

为了进一步验证该结构的可行性，团队还通过掩膜辅助沉积技术实现了全彩色图案的制备。这种方法能够在不破坏基材的情况下，实现大面积的结构色涂层制备，从而满足实际应用中对装饰性和功能性的需求。实验结果显示，该方法成功实现了多种颜色的制备，包括绿色、紫色、品红和蓝色，且色彩饱和度高、视角独立性强。这表明，该结构不仅在实验室环境下表现出优异的性能，还具备实际应用的潜力。

在研究过程中，团队还对涂层的化学结构进行了深入分析。PC材料的化学结构主要包括卤代芳香族和脂肪族基团，以及碳酸基团（O─(C═O)─O）。这些化学基团为涂层与基材之间的化学键形成提供了潜在的结合位点。通过比较Ti、Al和TiAl薄膜在PC基材上的附着力，研究团队发现TiAlN涂层在附着力方面表现最佳。此外，团队还对不同金属和氮化物在PC基材上的结合行为进行了研究，发现（Ti,Al）N涂层在附着力方面具有明显优势。

综上所述，本研究通过创新的多层涂层结构和先进的磁控溅射技术，成功实现了PC基材上的结构色制备。该结构不仅克服了传统方法中常见的附着力不足问题，还能够提供高亮度、高饱和度的结构色效果，同时具备优异的机械稳定性和环境耐久性。这一成果为PC材料在装饰和功能应用中的拓展提供了新的思路和方法，具有重要的实际应用价值。