孫依冉，楊建忠

(西安工程大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710048)

近數(shù)十年來，納米薄膜材料得到了飛躍的發(fā)展，在科學(xué)研究和實際應(yīng)用等諸多領(lǐng)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(yīng)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(xué)鍍,激光脈沖鍍膜,真空蒸發(fā)鍍膜,磁控濺射鍍膜等。但是化學(xué)鍍制備的金屬薄膜疏松、不均勻；激光脈沖沉積規(guī)模小，設(shè)備成本高昂；真空蒸發(fā)鍍雜質(zhì)和缺陷較多，薄膜與基材粘附力小，工藝重復(fù)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(yōu)點，同時制備出來的薄膜質(zhì)量好、附著性強、密度高，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)[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(shù)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(jié)構(gòu)為平紋的機織滌綸織物，經(jīng)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(shè)備，沈陽聚智科技有限公司生產(chǎn)，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(chǎn)。

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(nèi)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(jù)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(jié)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(nèi)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(diào)節(jié)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(jié)果與討論

2.1 銅、鋁基布結(jié)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(xiàn)紅色，金屬鋁呈現(xiàn)白色。圖2(b)中有一部分納米薄膜呈現(xiàn)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(jīng)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(jīng)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(jié)合力隨界面結(jié)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(nèi)，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(xiàn)熔化和再結(jié)晶現(xiàn)象，基布與銅薄膜之間的結(jié)合主要通過范德華力、機械結(jié)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(jié)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(jié)合，提高了界面結(jié)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(zhuǎn)移引起兩者相互粘結(jié)，增加薄膜與基布間的結(jié)合力[9]；同時，當基布與薄膜原子之間發(fā)生交換或位移時，產(chǎn)生的化學(xué)吸附結(jié)合力較強，基布和納米銅膜層之間出現(xiàn)明顯的結(jié)合界面，原因是兩者之間濃度不同，各自的原子向?qū)Ψ竭M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(shù)經(jīng)電離產(chǎn)生具有高能量原子，高能量原子在設(shè)備內(nèi)置的磁場作用下，轟擊靶材發(fā)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(shù)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(fā)生破裂。所以，一定程度上沉積納米薄膜的基布的摩擦次數(shù)，反映了基布與薄膜的結(jié)合牢度。摩擦次數(shù)越高，結(jié)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(guān)系，圖4所示濺射時間與織物重量的關(guān)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(zhì)量比鋁的原子質(zhì)量大，因此在相同濺射時間內(nèi)，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(shù)的關(guān)系圖

結(jié)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(shù)越大，薄膜與基布的結(jié)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(jié)合牢度較好于鋁膜與基布的結(jié)合牢度。

2.2.2 濺射功率與織物耐磨性關(guān)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(guān)系。圖6為同條件下，濺射功率與織物重量之間的關(guān)系。

圖5 濺射功率與織物耐磨性關(guān)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(guān)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(guān)系

圖8 工作壓強與織物重量關(guān)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(nèi)的氬氣濃度增大，靶金屬原子與氬氣原子碰撞次數(shù)提升，導(dǎo)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(jié)論

通過對比，可以得知對于滌綸基布而言，納米銅膜的結(jié)合牢度比納米鋁膜的結(jié)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(shù)也會增多，但工作氣壓不宜超過2Pa，氣壓過高會反而導(dǎo)致耐磨性降低。