磁控溅射工艺对涤纶基布的耐磨性探究

孙依冉，杨建忠

(西安工程大学纺织科学与工程学院，陕西西安 710048)

近数十年来，纳米薄膜材料得到了飞跃的发展，在科学研究和实际应用等诸多领域取得较多的成果。将纳米薄膜沉积在纺织品上，是纺织品功能化的一个新的研究方向。纳米级的金属薄膜可以赋予纺织品各种新功能，如具有抗电磁屏蔽、抗菌等等，并扩大纺织品的应用范围[1-2]。目前,在纺织品表面制备金属膜薄的方法有化学镀,激光脉冲镀膜,真空蒸发镀膜,磁控溅射镀膜等。但是化学镀制备的金属薄膜疏松、不均匀；激光脉冲沉积规模小，设备成本高昂；真空蒸发镀杂质和缺陷较多，薄膜与基材粘附力小，工艺重复性不好；但使用磁控溅射工艺制备薄膜，具有溅射率高、操控方便、能耗低等优点，同时制备出来的薄膜质量好、附着性强、密度高，适合大规模工业化生产[3-5]。

本文以涤纶织物为基材，分别以金属铜和金属铝作为靶材，采用磁控溅射方法制备纳米铜膜和纳米铝膜的涤纶织物，探究磁控溅射参数以及靶材的不同对于织物耐磨性能的影响。

1 制备纳米铜膜、纳米铝膜涤纶织物

实验材料：组织结构为平纹的机织涤纶织物，经纬纱密度为340/190 根/10cm(220T)，将其裁剪成直径为10cm的圆形试样作为备用；纯度为99.99%的铜靶材和纯度为99.99%的铝靶材，直径51mm；氩气，纯度为99.99%。

实验仪器：JZCK-420B多功能磁控溅射设备，沈阳聚智科技有限公司生产，配备射频和直流电源，射频源频率为13.56MHz；隧道电子扫描显微镜;YG(B)401型织物平磨仪，安徽省江南机械厂生产。

1.1 纳米金属薄膜织物的制备

如下页图1所示，为磁控溅射工作示意图。磁控溅射镀膜工艺过程在真空室内完成，圆靶位于工作台的下方，铜金属靶材或铝金属靶材固定在圆靶的上方，可根据需要将其拆卸下来，换上所需要的靶材。涤纶织物固定在工作台之中，与圆靶相距60mm。靶挡板位于工作台和圆靶中，这能够有效地防止磁控溅射实验结束或者开始时在涤纶织物上沉积额外的金属原子。在磁控溅射机器工作过程中，靶挡板可以移除，不会阻挡金属原子在织物上的沉积。

图1 磁控溅射工作示意图

在溅射过程中，充入真空室的氩气会被高压电场电离释放出大量的氩离子和电子。受电场加速作用的影响，高能氩离子会撞击到靶材表面，溅射出大量的靶材原子。呈电中性的靶材原子，会沉积在织物表面形成纳米金属薄膜。

本文具体的操作步骤如下：将涤纶织物放入真空室，并固定在工作台上，然后对真空室进行抽真空，当真空室内的压力降至最底真空度5.0×10-4Pa，将氩气充入真空室，随后调节溅射功率、氩气压强、溅射时间。

1.2 摩擦性能测试

按国家标准GB/T21196-1-2007《纺织品马丁代尔耐磨性的测定》，采用纯羊毛织物作磨料，在YG(B)401型织物平磨仪分别对沉积金属铜膜、铝膜的涤纶织物进行测试。

2 结果与讨论

2.1 铜、铝基布结合界面形貌描述

(c)镀铜电镜扫描(10μm)

(d)镀铝电镜扫描(10μm)

如图2(a)和图2(b)所示，分别为溅射纳米铜膜和纳米铝膜后的织物电镜扫描图像。对比两幅图像可以得知，纳米金属薄膜沉浸在织物表面会让织物具有一定的金属光泽。金属铜呈现红色，金属铝呈现白色。图2(b)中有一部分纳米薄膜呈现暗色，是由于金属铝被氧化所致。纳米金属薄膜仅沉积在纤维表面，不会覆盖经纬纱之间原有的间隙，因此可以从图2(a)和2(b)中清晰看到经纬纱中的单丝以及单丝之间的沟壑。

薄膜与基布界面之间的结合力随界面结合类型的不同有着较大的差异，主要由薄膜材料、基布材料及制备工艺所决定。本章实验是在常温真空室内，采用射频磁控溅射法在涤纶基布表面沉积纳米铜、铝薄膜，因此，基布不会出现熔化和再结晶现象，基布与铜薄膜之间的结合主要通过范德华力、机械结合、扩散、静电附着等综合作用[6-8]。

因为涤纶基布表面凹凸不平，当纳米薄膜沉积时，范德华力和静电吸引力会影响纳米薄膜的结合强度。受基布表面粗糙的影响，部分薄膜原子进入到涤纶基布空隙，两者相互错开结合，提高了界面结合牢度。另一方面，由于纳米铜、铝薄膜和涤纶两相表面带的电荷各异，接触时由于电子的转移引起两者相互粘结，增加薄膜与基布间的结合力[9]；同时，当基布与薄膜原子之间发生交换或位移时，产生的化学吸附结合力较强，基布和纳米铜膜层之间出现明显的结合界面，原因是两者之间浓度不同，各自的原子向对方进行扩散，使铜、铝原子与涤纶布原之间存在相互作用。磁控溅射技术经电离产生具有高能量原子，高能量原子在设备内置的磁场作用下，轰击靶材发生溅射。在不同磁控溅射工艺条件的情况下，高能原子也将获得大小不同的动能，当碰撞基布表面时，进入基布会引起的一定的“类扩散”[10]。由此可知，当对涤纶基布表面沉积纳米金属薄膜时，会有效地增加其耐磨性。

2.2溅射工艺参数与摩擦性能

纳米铜膜和纳米铝膜为纳米级薄膜，薄膜厚度较薄，在与毛织物的摩擦过程中，纳米薄膜会发生破裂。所以，一定程度上沉积纳米薄膜的基布的摩擦次数，反映了基布与薄膜的结合牢度。摩擦次数越高，结合度越好。

2.2.1 溅射时间对织物耐磨性能的影响

图3所示为溅射时间与织物摩擦性能的关系，图4所示溅射时间与织物重量的关系磁控溅射沉浸纳米金属薄膜，薄膜是均匀分布在基布表面，因此本文可以用镀膜后的织物重量增长程度，反映膜厚度增长程度。未镀膜前的涤纶基布重量为1021mg，由图4可以看出，在功率为140W、工作压强为2Pa的情况下，无论沉积纳米铜膜还是纳米铝膜，涤纶基布的重量都随着时间的增长而不断增长，这也意味着，镀膜厚度随着溅射时间的增长不断提高。铜的原子质量比铝的原子质量大，因此在相同溅射时间内，镀铜基布的重量比镀铝基布的重量大，沉积的薄膜厚度较厚。

图3 镀膜时间与耐磨次数的关系图

结合图3和图4共同分析得知，随着溅射时间的不断增长，织物表面沉积的薄膜厚度不断增加，摩擦过程中薄膜越不容易脱落，摩擦次数越大，薄膜与基布的结合度越好。其次，对比铜膜和铝膜的可以得知，在相同时间、相同功率以及相同工作压强的情况下，铜膜厚度大于铝膜厚度，因此铜膜与基布的结合牢度较好于铝膜与基布的结合牢度。

2.2.2 溅射功率与织物耐磨性关系

如图5所示，溅射时间为30min，工作压强为2Pa，溅射功率与织物耐磨性的关系。图6为同条件下，溅射功率与织物重量之间的关系。

图5 溅射功率与织物耐磨性关系

由图5和图6分析可得，溅射功率的增加可以有效地提升纳米薄膜的沉积速率，从而增加薄膜厚度。当薄膜厚度增加时，织物的耐磨性可以得到明显提高。

2.2.3 工作压强与织物耐磨性关系

如图7和图8所示，为溅射时间30min，功率100W时，镀铜涤纶基布和镀铝涤纶基布的耐磨性以及织物重量的对比。

图7 工作压强与织物耐磨性关系

图8 工作压强与织物重量关系

由图可知，当工作气压小于2Pa时，薄膜厚度会随着工作压强提升而增大，织物耐磨性也会随之而增大。但是当气压大于2Pa时，由于溅射气压过高，会让真空室内的氩气浓度增大，靶金属原子与氩气原子碰撞次数提升，导致靶金属原子的逃逸速度降低，使得纳米薄膜的沉积速度相比低工作气压时较低，薄膜厚度降低，织物耐磨性降低[11-12]。

3 结论

通过对比，可以得知对于涤纶基布而言，纳米铜膜的结合牢度比纳米铝膜的结合牢度要好。对同一种金属薄膜而言，随时镀膜时间、工作气压、溅射功率的增长，镀膜涤纶织物的耐磨次数也会增多，但工作气压不宜超过2Pa，气压过高会反而导致耐磨性降低。