磁控濺射工藝對滌綸基布的耐磨性探究

孫依冉，楊建忠

(西安工程大學紡織科學與工程學院，陜西西安 710048)

近數十年來，納米薄膜材料得到了飛躍的發展，在科學研究和實際應用等諸多領域取得較多的成果。將納米薄膜沉積在紡織品上，是紡織品功能化的一個新的研究方向。納米級的金屬薄膜可以賦予紡織品各種新功能，如具有抗電磁屏蔽、抗菌等等，并擴大紡織品的應用范圍[1-2]。目前,在紡織品表面制備金屬膜薄的方法有化學鍍,激光脈沖鍍膜,真空蒸發鍍膜,磁控濺射鍍膜等。但是化學鍍制備的金屬薄膜疏松、不均勻；激光脈沖沉積規模小，設備成本高昂；真空蒸發鍍雜質和缺陷較多，薄膜與基材粘附力小，工藝重復性不好；但使用磁控濺射工藝制備薄膜，具有濺射率高、操控方便、能耗低等優點，同時制備出來的薄膜質量好、附著性強、密度高，適合大規模工業化生產[3-5]。

本文以滌綸織物為基材，分別以金屬銅和金屬鋁作為靶材，采用磁控濺射方法制備納米銅膜和納米鋁膜的滌綸織物，探究磁控濺射參數以及靶材的不同對于織物耐磨性能的影響。

1 制備納米銅膜、納米鋁膜滌綸織物

實驗材料：組織結構為平紋的機織滌綸織物，經緯紗密度為340/190 根/10cm(220T)，將其裁剪成直徑為10cm的圓形試樣作為備用；純度為99.99%的銅靶材和純度為99.99%的鋁靶材，直徑51mm；氬氣，純度為99.99%。

實驗儀器：JZCK-420B多功能磁控濺射設備，沈陽聚智科技有限公司生產，配備射頻和直流電源，射頻源頻率為13.56MHz；隧道電子掃描顯微鏡;YG(B)401型織物平磨儀，安徽省江南機械廠生產。

1.1 納米金屬薄膜織物的制備

如下頁圖1所示，為磁控濺射工作示意圖。磁控濺射鍍膜工藝過程在真空室內完成，圓靶位于工作臺的下方，銅金屬靶材或鋁金屬靶材固定在圓靶的上方，可根據需要將其拆卸下來，換上所需要的靶材。滌綸織物固定在工作臺之中，與圓靶相距60mm。靶擋板位于工作臺和圓靶中，這能夠有效地防止磁控濺射實驗結束或者開始時在滌綸織物上沉積額外的金屬原子。在磁控濺射機器工作過程中，靶擋板可以移除，不會阻擋金屬原子在織物上的沉積。

圖1 磁控濺射工作示意圖

在濺射過程中，充入真空室的氬氣會被高壓電場電離釋放出大量的氬離子和電子。受電場加速作用的影響，高能氬離子會撞擊到靶材表面，濺射出大量的靶材原子。呈電中性的靶材原子，會沉積在織物表面形成納米金屬薄膜。

本文具體的操作步驟如下：將滌綸織物放入真空室，并固定在工作臺上，然后對真空室進行抽真空，當真空室內的壓力降至最底真空度5.0×10-4Pa，將氬氣充入真空室，隨后調節濺射功率、氬氣壓強、濺射時間。

1.2 摩擦性能測試

按國家標準GB/T21196-1-2007《紡織品馬丁代爾耐磨性的測定》，采用純羊毛織物作磨料，在YG(B)401型織物平磨儀分別對沉積金屬銅膜、鋁膜的滌綸織物進行測試。

2 結果與討論

2.1 銅、鋁基布結合界面形貌描述

(c)鍍銅電鏡掃描(10μm)

(d)鍍鋁電鏡掃描(10μm)

如圖2(a)和圖2(b)所示，分別為濺射納米銅膜和納米鋁膜后的織物電鏡掃描圖像。對比兩幅圖像可以得知，納米金屬薄膜沉浸在織物表面會讓織物具有一定的金屬光澤。金屬銅呈現紅色，金屬鋁呈現白色。圖2(b)中有一部分納米薄膜呈現暗色，是由于金屬鋁被氧化所致。納米金屬薄膜僅沉積在纖維表面，不會覆蓋經緯紗之間原有的間隙，因此可以從圖2(a)和2(b)中清晰看到經緯紗中的單絲以及單絲之間的溝壑。

薄膜與基布界面之間的結合力隨界面結合類型的不同有著較大的差異，主要由薄膜材料、基布材料及制備工藝所決定。本章實驗是在常溫真空室內，采用射頻磁控濺射法在滌綸基布表面沉積納米銅、鋁薄膜，因此，基布不會出現熔化和再結晶現象，基布與銅薄膜之間的結合主要通過范德華力、機械結合、擴散、靜電附著等綜合作用[6-8]。

因為滌綸基布表面凹凸不平，當納米薄膜沉積時，范德華力和靜電吸引力會影響納米薄膜的結合強度。受基布表面粗糙的影響，部分薄膜原子進入到滌綸基布空隙，兩者相互錯開結合，提高了界面結合牢度。另一方面，由于納米銅、鋁薄膜和滌綸兩相表面帶的電荷各異，接觸時由于電子的轉移引起兩者相互粘結，增加薄膜與基布間的結合力[9]；同時，當基布與薄膜原子之間發生交換或位移時，產生的化學吸附結合力較強，基布和納米銅膜層之間出現明顯的結合界面，原因是兩者之間濃度不同，各自的原子向對方進行擴散，使銅、鋁原子與滌綸布原之間存在相互作用。磁控濺射技術經電離產生具有高能量原子，高能量原子在設備內置的磁場作用下，轟擊靶材發生濺射。在不同磁控濺射工藝條件的情況下，高能原子也將獲得大小不同的動能，當碰撞基布表面時，進入基布會引起的一定的“類擴散”[10]。由此可知，當對滌綸基布表面沉積納米金屬薄膜時，會有效地增加其耐磨性。

2.2濺射工藝參數與摩擦性能

納米銅膜和納米鋁膜為納米級薄膜，薄膜厚度較薄，在與毛織物的摩擦過程中，納米薄膜會發生破裂。所以，一定程度上沉積納米薄膜的基布的摩擦次數，反映了基布與薄膜的結合牢度。摩擦次數越高，結合度越好。

2.2.1 濺射時間對織物耐磨性能的影響

圖3所示為濺射時間與織物摩擦性能的關系，圖4所示濺射時間與織物重量的關系磁控濺射沉浸納米金屬薄膜，薄膜是均勻分布在基布表面，因此本文可以用鍍膜后的織物重量增長程度，反映膜厚度增長程度。未鍍膜前的滌綸基布重量為1021mg，由圖4可以看出，在功率為140W、工作壓強為2Pa的情況下，無論沉積納米銅膜還是納米鋁膜，滌綸基布的重量都隨著時間的增長而不斷增長，這也意味著，鍍膜厚度隨著濺射時間的增長不斷提高。銅的原子質量比鋁的原子質量大，因此在相同濺射時間內，鍍銅基布的重量比鍍鋁基布的重量大，沉積的薄膜厚度較厚。

圖3 鍍膜時間與耐磨次數的關系圖

結合圖3和圖4共同分析得知，隨著濺射時間的不斷增長，織物表面沉積的薄膜厚度不斷增加，摩擦過程中薄膜越不容易脫落，摩擦次數越大，薄膜與基布的結合度越好。其次，對比銅膜和鋁膜的可以得知，在相同時間、相同功率以及相同工作壓強的情況下，銅膜厚度大于鋁膜厚度，因此銅膜與基布的結合牢度較好于鋁膜與基布的結合牢度。

2.2.2 濺射功率與織物耐磨性關系

如圖5所示，濺射時間為30min，工作壓強為2Pa，濺射功率與織物耐磨性的關系。圖6為同條件下，濺射功率與織物重量之間的關系。

圖5 濺射功率與織物耐磨性關系

由圖5和圖6分析可得，濺射功率的增加可以有效地提升納米薄膜的沉積速率，從而增加薄膜厚度。當薄膜厚度增加時，織物的耐磨性可以得到明顯提高。

2.2.3 工作壓強與織物耐磨性關系

如圖7和圖8所示，為濺射時間30min，功率100W時，鍍銅滌綸基布和鍍鋁滌綸基布的耐磨性以及織物重量的對比。

圖7 工作壓強與織物耐磨性關系

圖8 工作壓強與織物重量關系

由圖可知，當工作氣壓小于2Pa時，薄膜厚度會隨著工作壓強提升而增大，織物耐磨性也會隨之而增大。但是當氣壓大于2Pa時，由于濺射氣壓過高，會讓真空室內的氬氣濃度增大，靶金屬原子與氬氣原子碰撞次數提升，導致靶金屬原子的逃逸速度降低，使得納米薄膜的沉積速度相比低工作氣壓時較低，薄膜厚度降低，織物耐磨性降低[11-12]。

3 結論

通過對比，可以得知對于滌綸基布而言，納米銅膜的結合牢度比納米鋁膜的結合牢度要好。對同一種金屬薄膜而言，隨時鍍膜時間、工作氣壓、濺射功率的增長，鍍膜滌綸織物的耐磨次數也會增多，但工作氣壓不宜超過2Pa，氣壓過高會反而導致耐磨性降低。