磁控濺射工藝參數(shù)對(duì)鈦金屬鍍膜滌綸織物耐磨性的研究

王 磊 郭興峰

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津，300160)

磁控濺射工藝參數(shù)對(duì)鈦金屬鍍膜滌綸織物耐磨性的研究

王 磊 郭興峰

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津，300160)

為了研究磁控濺射鍍膜工藝參數(shù)對(duì)鍍膜織物耐磨性的影響，以滌綸織物為基材，采用磁控濺射工藝，在不同鍍膜時(shí)間、不同鍍膜壓強(qiáng)、不同鍍膜功率下對(duì)滌綸織物進(jìn)行鍍鈦，然后對(duì)鍍膜織物進(jìn)行摩擦處理，通過(guò)顯微鏡觀察，分析鍍膜工藝參數(shù)對(duì)耐磨性的影響。實(shí)驗(yàn)研究表明，鍍膜織物的耐磨性與摩擦次數(shù)的有關(guān)，摩擦次數(shù)越多，鍍膜織物耐磨性越強(qiáng)。隨著鍍膜時(shí)間的增加，鍍膜織物的耐磨性越強(qiáng);隨著鍍膜壓強(qiáng)的增加，鍍膜織物的耐磨性在0.8 Pa時(shí)，達(dá)到最大。隨著鍍膜功率的增加，鍍膜織物的耐磨性逐漸增強(qiáng)。

磁控濺射，滌綸織物，耐磨性，鍍膜參數(shù)

通過(guò)對(duì)紡織材料的表面改性，可使紡織品獲得新的功能，擴(kuò)大其應(yīng)用。對(duì)紡織材料進(jìn)行表面改性的方法很多，在紡織材料表面鍍膜是進(jìn)行表面改性的一個(gè)重要途徑。表面鍍膜工藝有化學(xué)鍍、涂層、真空鍍膜、磁控濺射鍍膜。與這些鍍膜工藝相比，磁控濺射鍍膜技術(shù)由于膜基結(jié)合力好、基材溫度低、濺射率高、裝置性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)［1-2］，能更好的實(shí)現(xiàn)材料的表面改性和功能化。大多數(shù)人研究鍍膜織物的導(dǎo)電、抗紫外線、防輻射等性能［3-7］，但對(duì)基材與納米薄膜間的結(jié)合力研究很少。而在鍍膜織物的實(shí)際應(yīng)用中，紡織材料基材與納米薄膜間的結(jié)合力是衡量鍍膜質(zhì)量的一個(gè)重要方面。本文以機(jī)織滌綸長(zhǎng)絲織物作為基材，采用磁控濺射工藝，在不同工藝條件下對(duì)滌綸織物進(jìn)行鍍鈦金屬膜，然后研究鍍膜工藝參數(shù)對(duì)鍍膜織物膜基結(jié)合力的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

平紋組織的滌綸長(zhǎng)絲織物:經(jīng)紗線密度6.0 tex，緯紗線密度5.4 tex，經(jīng)緯紗密度(427×370)根/10 cm，樣品尺寸15 cm×15 cm;

磨料:雜種羊毛織制的精梳平紋織物，經(jīng)紗密度，190根/10 cm，緯紗密度120根/10 cm，面密度:195 g/m2，直徑至少140 mm;

濺射靶材:99.99%的鈦金屬;工作氣體:氬氣，純度99.99%。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

JPGF-450I型磁控濺射鍍膜儀，北京北儀創(chuàng)新真空技術(shù)有限公司，配有射頻和直流電源;YG(GB)401D型全自動(dòng)織物平磨儀，溫州市大榮紡織標(biāo)準(zhǔn)儀器廠;XTS-30體視顯微鏡，北京泰克儀器有限公司產(chǎn)品。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 鍍膜織物的制備

在磁控濺射鍍膜儀真空室內(nèi)，把濺射用鈦靶材安裝在基材上方，靶材與基材二者之間相距60 mm。首先抽真空室氣體，抽至真空室壓強(qiáng)為2.0 mPa，再充入氬氣，然后在不同的氬氣壓強(qiáng)、濺射功率和濺射時(shí)間工藝條件下，分別制備鈦金屬鍍膜織物樣品。

1.3.2 摩擦實(shí)驗(yàn)

把制備好的鍍膜織物剪成直徑38 mm的圓試樣，用黃色純毛織制的精梳平紋織物作磨料 ，采用40 mm×40 mm李莎茹運(yùn)動(dòng)曲線，載荷為(395±2)g，在織物平磨儀對(duì)鍍膜織物進(jìn)行摩擦，分別摩擦500和1 000次，然后觀察織物表面膜的變化，來(lái)分析磁控濺射工藝參數(shù)對(duì)鍍膜織物耐磨性的影響。

1.3.3 鍍膜形貌觀察

圖1圖2分別是在120 s、0.49 Pa和400 W的條件下制備的鍍膜織物摩擦500和1 000次的圖像。由圖1可以看出織物紗線之間仍然有空隙，經(jīng)過(guò)摩擦500次之后鍍膜織物組織點(diǎn)的膜部分被磨掉，繼續(xù)摩到1 000次后組織點(diǎn)的膜越來(lái)越少，那么組織點(diǎn)的灰度越來(lái)越小。

圖1 摩擦500次形貌

圖2 摩擦1 000次形貌

1.3.4 鍍膜織物分析

本文是利用灰度的大小來(lái)表征鍍膜織物表面膜的耐磨性。用體視顯微鏡觀察摩擦前后的鍍膜織物，然后分析鍍膜織物表面膜的磨損情況。為了更好的反映織物表面磨損情況，采用從下往上照的光線照射織物，如圖3如果組織點(diǎn)鈦膜被磨掉的越多，從下面射出的光線透過(guò)織物組織點(diǎn)越多，組織點(diǎn)的灰度越小，那么灰度越大，說(shuō)明鍍膜織物耐磨性越好。

圖3 摩擦1 000次形貌

利用軟件采集摩擦前后試樣圖片灰度的大小［8］。左上角第一個(gè)緯組織點(diǎn)作為起點(diǎn)，向下(或向右)依次選取緯組織點(diǎn)(經(jīng)組織點(diǎn))的灰度值，每個(gè)試樣沿經(jīng)、緯向分別選取8和7個(gè)組織點(diǎn)，每個(gè)組織點(diǎn)再取5個(gè)值，先求每個(gè)組織點(diǎn)的灰度值再計(jì)算所有組織點(diǎn)的灰度，這樣得到該試樣的灰度值。

2 結(jié)果與討論

2.1 濺射氬氣壓強(qiáng)對(duì)鍍膜織物耐磨性的影響

從圖4可以看出，當(dāng)濺射氬氣壓強(qiáng)為0.5～0.8 Pa時(shí)，膜的厚度增加，灰度迅速增加，當(dāng)氬氣壓強(qiáng)達(dá)到0.8 Pa時(shí)，灰度達(dá)到最大值。當(dāng)濺射壓強(qiáng)超過(guò)0.8 Pa后，膜的厚度降低，灰度下降。說(shuō)明當(dāng)濺射室氬氣壓強(qiáng)達(dá)到一定程度時(shí)，濺射室內(nèi)的氬氣密度增大，使濺射粒子與氬原子相互碰撞的次數(shù)增多，從而降低了濺射粒子本身的能量，導(dǎo)致薄膜的沉積速率減小［9］，因而鍍膜的厚度變薄，灰度就降低。摩擦500次和摩擦1 000次后灰度與原織物相比變化不大，說(shuō)明膜的厚度較厚，經(jīng)摩擦后透過(guò)組織點(diǎn)的光線變化不大。

圖4 摩擦前后鍍膜織物灰度隨濺射壓強(qiáng)變化曲線

2.2 濺射時(shí)間對(duì)鍍膜織物耐磨性的影響

從圖5可以得到，隨著濺射時(shí)間的增加，鍍膜織物的金屬膜層逐漸變厚，灰度值逐漸變大。開(kāi)始階段織物的灰度增加的幅度比較小，當(dāng)濺射時(shí)間在120～200 s之間時(shí)，鍍膜織物的灰度迅速增大，在200 s之后，灰度的變化不大。

圖5 摩擦前后鍍膜織物灰度隨濺射時(shí)間變化曲線

在40～120 s時(shí)，經(jīng)摩擦500次的鍍膜織物的灰度與沒(méi)經(jīng)過(guò)摩擦的織物的灰度相差比較大。因?yàn)殄兡r(shí)間在40和80 s時(shí)膜較薄，經(jīng)過(guò)摩擦500次后，從下往上光線差不多可以透過(guò)織物，所以灰度變化很大。在 40～120 s時(shí)，經(jīng)過(guò)摩擦1 000次和摩擦500次的二者之間的灰度變化相比在200和220 s時(shí)相差較大。因?yàn)槟Σ? 000次后組織點(diǎn)的鍍膜幾乎磨掉，灰度差異較大;而在200和220 s時(shí)，鍍膜織物的金屬膜相對(duì)比較厚，經(jīng)過(guò)1 000次摩擦后鍍膜還沒(méi)有被磨透，所以摩擦1 000和500次后鍍膜織物灰度差異不大。

2.3 濺射功率對(duì)鍍膜織物耐磨性的影響

由圖6可以看出，隨著濺射功率的增加，織物表面的膜層逐漸變厚，灰度值逐漸增大。當(dāng)200～400 W時(shí)，灰度增加較大，濺射功率繼續(xù)加強(qiáng)，織物的灰度增加減慢。因?yàn)殡S著濺射功率的增加，濺射粒子束的能量增強(qiáng)，沉積速率提高，鍍膜厚度增大，耐磨性增強(qiáng)。

圖6 摩擦前后鍍膜織物灰度隨濺射功率變化曲線

摩500次與原樣的之間灰度的變化比摩500到1 000次的之間灰度變化大的多，說(shuō)明最外面的膜的附著力比較小，越靠里的膜附著力越來(lái)越大，膜的耐磨性越強(qiáng)。隨著濺射功率的增加，使沉積時(shí)的溫度逐漸上升，提高了薄膜和錦綸基體的附著力和膜層致密度［10］，有利于鍍膜的耐磨性。

3 結(jié)論

(1)鍍膜織物的耐磨性與織物的摩擦次數(shù)有關(guān)，摩擦次數(shù)越多，耐磨性越好，即織物的灰度越大，耐磨性越好。

(2)當(dāng)濺射壓強(qiáng)在0.8 Pa時(shí)，灰度達(dá)到最大值。隨著濺射時(shí)間的增加，織物金屬膜層逐漸變厚，灰度值逐漸變大。隨著濺射功率的增加，織物金屬膜層逐漸變厚，灰度值逐漸變大。

［1］徐成海.真空工程技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006:600-605.

［2］余平，任學(xué)勇，肖清泉，等.磁控濺射真空制膜技術(shù)［J］.貴州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)報(bào)，2007，24(1):68-70.

［3］SCHOLZ J，NOLLSTEIN F，HOCKE G，et al.Investigations on fabrics coated with precious metals using the magnetron Sputter technique with regard to their anti-microbial properties［J］.Surface and Coatings Technology，2005，192:252-256.

［4］高秋瑾，彭程程，王鴻博，等.絲織物基納米結(jié)構(gòu)銀膜形貌及抗菌性能研究［J］.化工新型材料，2010，38(5):75-77.

［5］王鴻博，魏取福，高衛(wèi)東.PET基納米Ag薄膜導(dǎo)電及電磁屏蔽性能研究［J］.真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，28(2):37-40.

［6］RIZZO A，TAGLIENTE M A，ALVISI M，et al.Structural and optical properties of silver thin films deposited by RF magnetron sputtering［J］.Thin Solid Films，2001，396:29-35.

［7］徐曉峰，陳小立，郭玉良，等.磁控濺射法研制防紫外納米鋁膜滌綸織物［J］.印染，2007，12:10-15.

［8］關(guān)曉宇，郭興峰，肖惠.磁控濺射鍍膜錦綸織物的耐磨性研究［J］.天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29(5):49-50.

［9］馬元遠(yuǎn)，王德苗，金浩，等.工藝參數(shù)對(duì)磁控濺射金屬化薄膜性能的影響［J］.真空，2008，45(4):70-74.

［10］溫培剛，顏悅，張官理，等.磁控濺射沉積工藝條件對(duì)薄膜厚度均勻性的影響［J］.航空材料學(xué)報(bào)，2007，27(3):66-68.

Preparation of titanium coated polyester fabrics and study on wear resistance

Wang Lei，Guo Xingfeng
(School of Textiles，Tianjin Polytechnic University)

To investigate the effect of magnetron sputtering process parameters on the wear resistance of titanium coated fabrics，the polyester fabric was taken as the substrate，titanium film was coated on the fabric at different coating time，pressure，power.Then the coating fabric was rubbed，coating’s attrition rate through the microscope was observed，and the effect of coating process parameters on the wear resistance was analyzed.The experimental study indicated that the attrition rate of coating is related with friction times，the more the number of friction，the greater the wear resistance.With increase of coating time，the coating fabric’s resistance became stronger;when coating pressure is 0.8 Pa，the resistance reaches the apex of the grey value.Along with the deposition power increases，the wear resistance of coated fabrics strengthens.

magnetron sputtering，polyester fabric，wear resistance，sputtering parameter

TS156

A

1004－7093(2011)10－0038－04

2011－05－24

王磊，男，1986年生，在讀碩士研究生。主要研究方向?yàn)獒t(yī)用紡織品。

郭興峰，E-mail:xfguo@tjpu.edu.cn.