先进涂层材料能够针对不同的应用场景优化表面特性，对现代科技至关重要。透明自清洁涂层被广泛用于各类场景，如屏幕、太阳能电池板、建筑外玻璃等。使用环境的复杂多变对涂层功能提出了多样化需求，同时具有高硬度、高耐磨性、良好柔韧性特点的透明自清洁涂层受到人们的广泛关注。然而，使一类涂层材料同时获得多种功能仍具有一定挑战性：例如涂层的硬度与柔韧性之间存在矛盾，疏水性与耐磨性亦难以完全兼顾。关于此类涂层已有大量研究报道，有必要归纳总结最新研究进展，供相关研究人员参考。
基于此，来自浙江大学国际联合学院（ZJUI）的 Oleksiy Penkov 教授团队在 Coatings 期刊上发表了综述文章，介绍了润湿性的基本理论、疏水/亲水自清洁的原理、光催化自清洁的基本过程、涂层机械耐久性的影响因素；总结了常用的涂层自清洁性能与机械耐久性的评价测试手段以及涂层制备方法。文章重点介绍了磁控溅射技术，尤其是以此制备的纳米多层结构涂层，在多功能涂层领域的相关研究以及应用前景。
润湿性基本原理与涂层自清洁性能
润湿性由材料表面的结构与化学特性决定，通常采用水接触角（Water Contact Angle，WCA）作为定量标准判断表面的润湿性。根据 WCA 的大小，润湿性可以分为超亲水（0°~10°）、亲水（10°~90°）、疏水（90°~150°）与超疏水（＞150°）。根据表面结构的不同，涂层润湿状态分别符合 Young' s 模型、Wenzel 模型与 Cassie 模型。
自清洁涂层分为疏水自清洁与亲水自清洁：疏水自清洁涂层通过滚动的水滴将表面的灰尘带走，在普通疏水表面，液滴很难高效地带离灰尘；因此疏水自清洁涂层一般通过构建独特的表面微观结构，一方面使涂层表面具有超疏水性，另一方面减小固-液接触面积，进而减小液滴滚动时的摩擦力。但是表面微观结构往往会降低涂层透明度，同时也意味着耐磨性的降低。亲水自清洁涂层通过水滴在表面扩散形成水膜，将污染物带走。由于水滴更倾向于扩散开来形成水膜，亲水涂层表面具有一定防雾功能，更加适用于透明设备表面。亲水自清洁涂层往往具有光催化反应/光致亲水特性，通过涂层表面的光催化反应，有机污染物被分解为二氧化碳和水，使涂层自清洁效率更高。
透明自清洁涂层的预期性能和测量方法
透明自清洁涂层首先应具有良好的透光率与自清洁性能，同时也能具有良好的机械性能，如硬度、柔韧性、耐磨性、与衬底之间较强的粘附性。涂层光学性能测试方法较为简单，一般采用分光光度计直接测量；为提升涂层的透光率，在选用第吸收材料的同时往往需要设计减反射结构，减反射涂层主要有三种结构：四分之一波长单层减反涂层，梯度折射率涂层以及多层干涉涂层。WCA 与水滴最小滑动角（Sliding Angle，SA）是衡量疏水自清洁涂层的重要指标，当 WCA 大于 150°，SA 小于 10° 时，涂层可能具有较好的疏水自清洁性能；为了直接判断涂层的自清洁性，研究人员往往采用模拟污染——清水冲刷的方法，但这一方法较为主观。除了亲水性测试之外，污染物的降解速率也是光致亲水自清洁涂层性能好坏的重要指标，这一数据可通过将涂层浸入含有有机试剂（如甲基橙）的溶液，在不同时间测量溶液中有机试剂含量而得到。
同时提升涂层的硬度与柔韧性，是当前的研究热点。以高分子材料为基础的涂层研究较多，此类涂层柔韧性好，在制备过程中易获得良好的自清洁性能。但由于高分子材料的特性，它们的硬度往往较低。有机-无机杂化方法是提升此类涂层的主要手段，但效果不够理想，涂层硬度往往在 1 GPa 左右，远低于 SiO2 硬度（约 7 GPa），难以有效抵御砂石的刮划。涂层的硬度（H）一般采用纳米压痕测试或铅笔硬度测试获得，采用纳米压痕测试同样可获得涂层的有效弹性模量（E*）。涂层的柔韧性一方面可通过硬度与弹性模量之比 H/E* 判断，同时也需要进行弯折测试。尽管涂层耐久性与摩擦学行为之间存在密切联系，但目前大多数研究并未对此类涂层的摩擦学特性进行深入研究，仅仅进行了常规的划痕测试、磨损测试等。因此本文介绍了一些摩擦学领域的基本概念，如摩擦系数、磨损率的测量，接触应力的计算等，以帮助后续研究人员更好地理解涂层磨损行为。
多功能涂层的制备方法
溶胶-凝胶法（Sol-Gel Methods）是涂层制备最常用的方法之一。该工艺在一定条件下将前驱体混合物（如水或酒精溶液）转化为均匀的凝胶。这种方法既适用于疏水性涂层，也适用于亲水性涂层。这种方法成本低廉、实用性强、技术细节少，在溶胶-凝胶化学的基础上开发有机-无机杂化涂层是获得坚硬和柔韧涂层的有效方法。利用溶胶-凝胶法获得涂层溶液后，往往需要采用浸涂、旋涂、喷涂或其他方法获得均匀的涂层。化学气相沉积法（Chemical Vapour Deposition，CVD）也是十分常用的涂层制备方法，在典型的 CVD 工艺中，基底暴露在挥发性前驱体中，前驱体在基底表面发生反应和/或分解，产生所需的沉积物。这种方法通常用于光学领域的玻璃应用，因为可以获得所需的折射率。此外，涂层的成分和结构也很容易通过沉积条件进行控制。
磁控溅射制备多功能涂层
磁控溅射（Magnetron Sputtering，MS）技术可沉积几乎任何固体材料，通过调整磁控溅射工艺参数，可以控制涂层表面粗糙度，可用来制备疏水、光致亲水自清洁涂层。例如采用射频磁控溅射技术（RF-MS）可制备超疏水聚四氟乙烯涂层、采用直流磁控溅射技术（DC-MS）可制备不同的疏水金属氮化物与氧化物涂层。利用磁控溅射技术制备纳米多层结构可以通过结合不同材料的特性，得到综合性能优异的多功能涂层，例如硬度为高达 9.8 GPa，具有减反射与表面光催化自清洁功能的 SiO2/TiO2 涂层以及硬度高达 35.1 GPa，同时具有良好柔韧性与透光率的 SiNx/BN。基于纳米多层结构涂层的设计理念，有望制备出性能更加优异的多功能涂层。
本文讨论了现代社会对透明自清洁多功能涂层的需求，并指出了涂层不同性质之间可能存在一定矛盾。为了促进多功能涂层的发展，需要理解和平衡这些矛盾，进而提升涂层综合性能。本文介绍了自清洁涂层与润湿性、光催化反应之间的关系以及润湿性、光催化反应的基本理论。总结了此类涂层所需要的机械性能、机械耐久性、自清洁性能以及相应的测试手段与制备技术，重点引入了当前研究中缺乏的摩擦学相关内容，为后续研究者更好地理解多功能涂层的耐磨性、耐久性提供帮助。目前关于此类涂层的研究工作大多集中于高分子基材料，但此类材料硬度难以提升，限制了其应用。利用磁控溅射技术制备纳米多层结构涂层，通过结合不同材料性质，可以有效地提升涂层整体性能，值得进一步探索。
