射频磁控溅射工作气压对涤纶面料表面镀膜的影响

任永聪，黄美林,2，王晓如，梁竞鹏，林雪莹

（1.五邑大学 纺织材料与工程学院，广东 江门 529020；2.广东省功能性纤维与纺织品工程技术研究中心，广东 江门 529020）

射频磁控溅射工作气压对涤纶面料表面镀膜的影响

任永聪1，黄美林1,2，王晓如1，梁竞鹏1，林雪莹1

（1.五邑大学 纺织材料与工程学院，广东 江门 529020；2.广东省功能性纤维与纺织品工程技术研究中心，广东 江门 529020）

运用射频磁控溅射技术在涤纶非织造面料表面进行溅射镀膜，采用金属和金属氧化物靶材，探讨工作气压对薄膜沉积速率的影响，寻求最佳的溅射工艺参数. 用扫描电镜分析镀膜表面微观结构，并测量薄膜厚度，结果表明，沉积速率从大到小分别是铜膜、不锈钢膜、不锈钢氧化膜、铜氧化膜和二氧化钛膜. 金属膜在工作气压1.0～ 1.2 Pa达到最大的沉积速率；而金属氧化物膜在工作气压大约为2.8 Pa时薄膜沉积速率最大. 镀膜后的织物外观因薄膜材料不同而呈现不同的颜色：铜膜为黄棕色，不锈钢膜为淡土黄色，铜氧化膜为黑色，不锈钢氧化膜为咖啡色，二氧化钛膜为淡黄色.

磁控溅射；织物镀膜；沉积速率；金属色

磁控溅射作为物理气相沉积技术之一，具有沉积速率高、膜层均匀稳定等优点，并因其可在常温下实现薄膜制备，近年来利用此技术在纺织服装材料或面料上进行功能整理的研究和应用越来越多[1-3]. 采用磁控溅射技术对涤纶等非织造布进行溅射镀膜，可实现基布表面功能化，进一步可开发抗紫外线、防电磁辐射、抗静电、抗菌等相关功能的纺织品；或实现金属色或结构色的面料与服装，提高纺织材料的装饰性能[4]. 磁控溅射包括直流磁控溅射和射频磁控溅射，前者适合金属靶材，后者适合导电性金属、非导电性陶瓷或金属化合物、高分子材料等靶材. 选择合适的溅射方法、靶材和溅射工艺参数是研究磁控溅射技术实现功能性纺织品必须做的前期基础工作[5].

本研究采用射频磁控溅射法在涤纶类非织造布上镀制金属与金属氧化物薄膜，采用不同的靶材，调节溅射的工艺参数，以不同的溅射工作气压分别制备了铜膜、不锈钢膜、不锈钢氧化膜、铜氧化膜和二氧化钛膜；研究溅射工作气压对薄膜沉积速率的影响；利用扫描电镜（SEM）对沉积的薄膜表面形貌和结构进行分析，测量薄膜的厚度；通过对膜层厚度、形貌特征等分析，总结溅射工艺参数对镀层结构形态的影响规律.

1 试验

1.1 材料与仪器

试验用基底为白色涤纶非织造布（无纺布）和透明涤纶（PET）薄片，涤纶基布和PET薄片清洗和干燥用到无水乙醇、超声波清洗机、电热鼓风恒温干燥箱. 溅射镀膜设备为W500型织物功能处理机（磁控溅射仪），采用的靶材为高纯金属或金属氧化物，包括铜、不锈钢和二氧化钛，要求靶材直径75 mm、厚度5 mm. 溅射后的样品使用德国蔡司evo18型扫描电镜观察其表面形貌，并测量薄膜厚度.

1.2 试验参数与操作

PET塑料片和无纺布按要求大小裁剪好；用无水乙醇把塑料片和无纺布都清洗一遍，去除基片材料表面的杂质和油污；再用无水乙醇作为超声介质清洗10 min，进一步去除基片表面的杂质和油污，然后将二者放到烘干机烘干.

使用W500型织物功能处理机进行射频磁控溅射镀膜. 首先将基布与PET塑料片安装到样品台，将靶材安装到靶位上，使靶基距为5 cm，抽真空使本底气压达2×10-3Pa，然后充氩气（Ar），在一定气压下起辉，然后调节气压到工作气压，设置溅射功率，调整工作气体流量等，控制溅射沉积工作时间，最终得到不同溅射工作条件下的样品. 相关系列试验的溅射工作参数见表1.

表1 试验参数表

2 结果与讨论

2.1 薄膜沉积速率

已有研究发现，磁控溅射镀膜的最大沉积速率对应一个最佳工作气压值[6]. 但此研究结果仅基于一种靶材和特定的设备，因此有必要探讨其他靶材的不同的沉积速率. 本研究通过调整表1所示的溅射工艺参数，进行了5个系列的试验，分别是镀铜膜、不锈钢膜、铜氧化膜、不锈钢氧化膜以及二氧化钛膜. 考虑到镀制纯金属膜与金属进行氧化反应溅射的不同，所以5个系列试验的工艺有所区别，特别是溅射时间长短不一，最终得到的薄膜的厚度见表2. 要进行沉积速率的比较，必须将表2数值转化成每分钟沉积的膜厚，得到如图1的5个系列试验的薄膜的沉积速率.

表2 系列试验膜厚结果 单位：nm

由图1可见：1）铜膜和不锈钢膜的沉积速率明显比金属氧化物薄膜的高；2）铜膜和不锈钢膜的沉积速率在试验设定的工作气压范围内与工作气压的关系为向上抛物线形状，两者都在工作气压为1.0～1.2 Pa达到最大的沉积速率；3）铜比不锈钢更容易溅射成膜，相同气压和相同溅射功率下获得更大的膜厚；4）3种金属氧化物薄膜沉积速率随工作气压的增大有一个缓慢的升高过程，当工作气压在2.8 Pa左右薄膜沉积速率最大.

3种金属氧化物薄膜的沉积速率都比较低，可能原因是反应溅射时靶材表面形成的一层金属化合物降低了溅射沉积速率. 由于不锈钢的主要成分是铬（Cr）和镍（Ni），它们比单铜分子更难被氩气分子撞击而从靶材表面溅射出来，因此铜比不锈钢更容易溅射成膜. 另外，不同靶材具有不同的溅射阈值和溅射率，这些因素在很大程度上影响了薄膜的沉积速率. 二氧化钛是最难溅射的，其沉积速率最低；而且溅射二氧化钛靶材时，使用了比较高的溅射功率，而获得的沉积速率依然比其他薄膜的低.

图1 溅射工作气压与沉积速率的关系图

2.2 薄膜表面形貌与溅射后的面料颜色

利用扫描电镜观察和记录镀膜后的薄膜表面形貌，溅射后的面料外观颜色用数码相机记录下来，获得如图2的结果. 图中1-5分别是铜膜、不锈钢膜、铜氧化膜、不锈钢氧化膜和二氧化钛膜.

结合表2的平均膜厚数据，在不考虑溅射时间和溅射功率的情况下，这5种膜的平均膜厚从大到小分别是铜氧化膜、不锈钢氧化膜、铜膜、不锈钢膜和二氧化钛膜. 从图2数码照片看，涤纶非织造织物镀制铜膜后为黄棕色，铜膜表面凹凸不平，膜层已有一定厚度；镀不锈钢膜后为淡土黄色，不锈钢膜比较平整，膜厚相对小一些；镀铜氧化膜后为黑色，其厚度最大，表面有微小突出；镀不锈钢氧化膜后为咖啡色，不锈钢氧化膜表面也比较平整，膜厚也相对较小；镀二氧化钛膜后为比较浅的淡黄色，二氧化钛膜的平均厚度最小，其表面形貌比较特殊，有无数突出生长的簇状物.

图2 溅射镀膜后的SEM图和织物样品外观照片

3 结论

在涤纶非织造面料表面进行溅射镀膜，金属膜和金属氧化物膜的溅射均受工作气压的影响，金属膜在工作气压为1.0～1.2 Pa达到最大的沉积速率；而金属氧化物膜在工作气压大约2.8 Pa时薄膜沉积速率最大. 镀膜后薄膜的外观形貌和颜色因靶材的不同而不同，铜膜为黄棕色，不锈钢膜为淡土黄色，铜氧化膜为黑色，不锈钢氧化膜为咖啡色，二氧化钛膜为淡黄色. 镀膜后织物颜色深浅与膜厚有关，颜色色泽不同与镀膜材料有关. 后续试验需进一步研究镀膜后面料织物的服用性能、物理机械性能，以及镀膜后的膜基结合牢度等.

[1] 李芬，朱颖，李刘合，等. 磁控溅射技术及其发展[J]. 真空电子技术，2011, 292(3)∶ 49-54.

[2] 师艳丽，李娜娜，付元静，等. 用于纺织品表面改性的磁控溅射技术研究进展[J]. 纺织学报，2016, 37(4)∶165-169.

[3] 陈向标，江凯鹏，何剑江，等. 磁控溅射技术在织物整理上的研究进展[J]. 纺织导报，2011(10)∶ 120-122.

[4] 崔唯. 谁是好色之徒？盘点2013年十大色彩流行趋势[J]. 纺织服装周刊，2014(1)∶ 68-69.

[5] 叶丽华，杜文琴. 磁控溅射工艺参数对涤纶织物结构色出色效果的影响[J]. 五邑大学学报（自然科学版），2015，29(3)∶ 16-22.

[6] 璘王，余欧明，杭凌侠，等. 磁控溅射镀膜中工作气压对沉积速率的影响[J]. 真空，2004(1)∶ 9-12.

[责任编辑：熊玉涛]

A Study of the Effects of RF Magnetron Sputtering Pressure on PET Fabrics Surface Coating

REN Yong-cong1, HUANG Mei-lin1,2, WANG Xiao-ru1, LIANG Jing-peng1, LIN Xue-ying1
(1.School of Textile Material and Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China;2. Engineering Technology Research Center for Functional Fibers and Fabrics of Guangdong Province,Jiangmen 529020, China)

This study researches on sputter coating on nonwoven polyester fabric surfaces adopting the RF magnetron sputtering technique and using metal and metal oxides as target materials, investigates the effect of working pressure on the deposition rate of thin films and attempts to seek the optimal process parameters. An analysis of the microstructure of coating surface by scanning electron microscope and the measurement of the film thickness shows the deposition rate in descending order:copper film, stainless steel film, stainless steel oxide film, copper oxide film and titanium dioxide film. The maximum deposition rate of the metal film is achieved at the working pressure of 1.0 Pa to 1.2 Pa，while the maximum deposition rate of the metal oxide film is achieved at the working pressure of 2.8 Pa. The color of the fabrics after coating is different: the copper film being brown, the stainless-steel film pale yellow, the copper oxide film black, the stainless-steel oxide film the coffee color, and the titanium dioxide film light yellow.

magnetron sputtering; fabric coating; deposition rate; metallic color

TB43；O484

A

1006-7302（2017）04-0066-04

2017-09-04

2017年五邑大学学生创新创业项目（FZ170502A1）

任永聪（1997—），男，江西龙南人，在读本科生，从事纺织品表面功能整理的研究；黄美林，高级实验师，硕士，通信作者，主要从事纳米材料及功能纺织品的研究.