磁控溅射技术在纺织品着色上的应用及实践

明德梅，时雅菁，严涛海，2，冯 琴，黄永森，张诺颖，黄露明，陆东东

（1.闽江学院 服装与艺术工程学院，福建 福州 350108；2.福建东龙针纺有限公司专家工作站，福建 福州 350217；3.春晖科技集团有限公司，福建 福州 350018；4.福建华峰新材料有限公司 福建省运动鞋面料重点实验室，福建 莆田 351164）

磁控溅射是物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）的一种。磁控溅射镀膜技术是在真空的环境之中进行纳米金属膜的制备，它是目前真空环境镀膜技术中应用较广泛的技术[1]。它是通过物理学的光学作用原理，把金属片放在稀薄气体（通常为氩气）之中，并且在阴阳两极之间附加上高强度的电荷并产生辉光放电现象。此时在阴阳两极之间会产生大量的阳离子。阳离子在电场力的作用之下会撞向负极。在这个反应过程之中，离子会和靶材表面的原子发生相撞，在碰到之后碰出的靶原子称为溅射原子。靶原子经过一定的时间沉积之后，可在纺织品基材表面镀上金属以及金属氧化物薄膜。控制溅射的时间等参数可得到不同的色彩以及花形图案，也可以研究生色纺织品的抗菌性、稳定性、抗氧化性以及催化功能。根据实际需要，可制备出更多功能的结构色纺织品。磁控溅射技术着色以其绿色、环保的制备优点，在未来的纺织品着色以及生色领域会有广阔的应用前景。

1 纺织品结构色产生的原理

纺织品的颜色是十分丰富的，有的是用染料进行着色，有的是用颜料进行着色，而结构色与这两种颜色的着色方式是不同的。结构色无需采用染料、颜料着色，而是采用量子光学原理，由色散、散射、干涉和衍射引起选择反射产生的颜色。因此结构生色也被称为物理生色。在纺织行业中，印染工艺是无法替换的重要部分，不仅是带动纺纱织造的关键技术，也是提升服用及家用纺织品档次和附加值的重要手段。迄今为止，纺织品的图案、颜色大部分使用染料、颜料进行印染加工，也就是采用色素生色。在加工过程中，需要的化学染料、助剂等不仅会污染环境，还对人体造成危害。结构生色是一种没有污染、不需化学试剂的生态仿生着色途径，它具有虹彩效应，也具有不惧日光、饱和度高、亮度高、颜色靓丽、不易褪色、对人体无害和绿色环保等优点，因此采用结构生色的纺织品将越来越受到重视，并具有很好的应用前景。

物体本身结构的存在对光产生衍射、反射、干涉等物理作用生成颜色是结构色的着色方式[2]。结构色是一种不使用染料、颜料着色就能生成的颜色。结构生色的主要原理如下。

多层膜干涉、单层膜干涉是薄膜干涉产生结构色的主要形式。因为薄膜上下表面具有一定光程差的反射光在上表面发生了干涉，所以产生了这些现象。碧凤蝶、日本宝石甲虫、蓝闪蝶等是薄膜干涉中比较典型的代表。

光子晶体是一类具有光子禁带特性的微结构的统称。光子晶体结构色是这种微结构对可见光选择性作用的结果，也是组成自然界结构色的重要方式之一。在非生物领域中蛋白石显色是其最典型的代表。

其他光的散射、色散、光栅衍射等原因也会产生结构色现象。在自然现象中，蓝天是光散射产生结构色最为突出的代表。太阳光在进入大气层时，波长较短的蓝、青、紫等颜色的光由于受到空气中微细的尘埃作用发生了散射。而彩虹现象则是由于光在微细液滴的作用下发生了色散作用。

2 结构生色的应用

在织物的表面镀膜的物理方法有溶胶凝胶法，化学方法有沉淀法等，但是和利用磁控溅射技术镀膜相比，磁控溅射镀膜技术有稳定性强、附着力强、色彩牢固、色彩艳丽以及不易褪色等优点。

在我国也有很多专家学者对结构色进行了研究。结构色最大的优点就是没有利用化学助剂与水资源进行颜色的着色，这也是其与传统的纺织品印染工业相比最大的区别，对环境的保护起到了关键性作用。苏州大学的某课题研究小组利用电泳沉积技术使带负电性的3 种聚苯乙烯微球（粒径为185～290nm）吸附在碳纤维的表面，从而制备得到了新的结构生色纤维。目前，已制备出了呈现蓝、绿、红3 种颜色的纤维，相信在不久的将来，还会制备出更多的颜色[3]。

江南大学的魏取福教授论述了如何利用磁控溅射制备多功能纳米Ag/TiO2结构色复合膜的研究，这项研究是在特定的恒温恒湿的条件下，通过采用磁控溅射的方法在涤纶纺的非织造布上覆盖上一层纳米Ag 薄膜。在磁控溅射制备Ag/TiO2的制备过程中，对织物的导电性、抗菌性、抗静电性等进行了一系列的研究。从研究了解到磁控溅射的时间、溅射的功率、温度、以及大气压的压强等，都会对镀出来的膜的特性产生巨大的影响。在Ag/TiO2薄膜中，纳米粒子的数量以及薄膜的厚度都会对薄膜的特性（比如导电性能、抗静电性能）产生影响。根据实验的结果可以得出结论，在恒温恒湿特定的大气条件之中，随着溅射功率的增加，Ag/TiO2复合膜之中Ag 粒子的尺寸也增大[4]。

山东某高校实验小组利用电泳沉积法在Si 衬底制备出了MgO 薄膜，MgO 薄膜是一种很好的抗静电材料，在人们的生活中能起到良好的保护作用，并且制备工艺方便简单，为人们的生活提供方便[5]。

3 磁控溅射法在纺织品的结构生色实践

通过采用磁控溅射技术，在织物表面制备出纳米金属膜，单层纳米金属膜的颜色变化不如双层纳米金属膜变化多样，因此在制备出第1 层纳米金属膜之后，再用直流磁控溅射的方法，溅射第2 层的纳米金属膜，从而形成多种多样的金属结构色复合膜。

机器参数统一设置为：低真空2.0×101Pa，高真空1.5×10-3Pa，氩气压强1.6×101Pa。

织物统一使用了蓝色芳纶面料作为基布。考虑到芳纶难以染色，一般采用原液着色的方式使之具有特殊颜色，比如蓝色、黄色、黑色等，但其他个性化颜色在市面上非常少见，这不符合面料个性化的发展趋势。因此本实践应用磁控溅射的方法在芳纶面料上进行着色，并分别尝试了不同金属原料、镀层层数、功率和时间等磁控溅射的工艺参数。

3.1 磁控溅射Ti/Al 金属膜

方案1 采用功率为120W，时间为30min，依次分别镀第1 层Ti、镀第2 层Al。结构色效果如图1 所示。从图1 可见蓝色背景下明显存在浅灰色图案，浅灰色图案即为磁控溅射下的Ti/Al 金属膜，浅灰色即为金属膜在光干涉、散射、反射下形成的结构色。图2 为磁控溅射下的Ti/Al 金属膜镀层在纤维上的SEM 图。方案1 纤维平均直径为17.7μm，纤维表面可见的明显亮点及反光区即为镀层的Ti/Al 金属颗粒及膜。

图1 Ti/Al 金属膜结构色

图2 Ti/Al 金属膜纤维SEM 图

3.2 磁控溅射Ag 单层膜

方案2 采用功率为100W，时间为15min，利用磁控溅射镀Ag 单层金属膜。镀Ag 单层金属膜后蓝色背景下产生银色结构色，颜色非常清晰，还有一种晃眼的流动色彩（见图3）。这种变色是Ag 单层金属膜发生干涉、反射等效果产生的结构色。图4 为Ag 单层金属镀膜纤维SEM 图。方案2 纤维平均直径为15.6μm，纤维表面有一些裂纹。分析后认为裂纹是因为镀层不均匀导致纤维某些部位镀层较多而某些部位镀层较少所致。

图3 Ag 单层金属镀膜

图4 Ag 单层金属镀膜纤维SEM 图

3.3 不同工艺控制下磁控溅射Ag/Ti 双层膜

方案3 采用功率为80W，时间为20min，依次磁控溅射镀第1 层Ag、镀第2 层Ti，形成Ag/Ti 双层金属膜。图5 所示为20min 镀Ag/Ti 双层金属膜后显示的金色结构色。方案3 的金色结构色即为Ag/Ti 双层金属膜发生干涉、反射等后的视觉效果。图6 所示为20min 镀Ag/Ti 双层金属膜纤维SEM 图。方案3 纤维平均直径为15.8μm，纤维表面的裂纹说明金属镀膜并没有完全覆盖纤维表面。

图5 20min 镀Ag/Ti双层金属膜

图6 20min 镀Ag/Ti 双层金属膜纤维SEM 图

方案4 采用功率为100W，时间为30min，依次磁控溅射第1 层镀Ag、第2 层镀Ti，形成Ag/Ti 双层金属膜。图7 所示为30min 镀Ag/Ti 双层金属膜显示的深金色结构色。方案4 的深金色相对于方案3 的金色显得更深，究其原因在于功率增加了20W，时间延长了10min，金属膜的厚度发生了变化，使得颜色也发生了变化。此颜色即为Ag/Ti 双层金属膜发生干涉、反射等光学现象后形成的结构色。图8 所示为30min 镀Ag/Ti 双层金属膜纤维SEM 图。方案4 纤维平均直径为16.0μm，直径相较于方案3 略有增加。方案4 纤维表面相对于方案3 更加光滑但有少许裂纹，说明金属镀膜尚未完全覆盖纤维表面，但是覆盖效果相对更佳。

图7 30min 镀Ag/Ti双层金属膜

图8 30min 镀Ag/Ti 双层金属膜纤维SEM 图

方案5 采用功率为120W，时间为40min，依次磁控溅射第1 层镀Ag、第2 层镀Ti，形成Ag/Ti 双层金属膜。图9 所示为40min 镀Ag/Ti 双层金属膜显示的金色偏红结构色，此结构色即为Ag/Ti 双层金属膜发生干涉、反射等后的视觉效果。图10 所示为40min 镀Ag/Ti 双层金属膜纤维SEM 图。方案5 纤维平均直径为16.3μm，对比方案3 和方案4 发现纤维直径随着功率增加、镀膜时间增加有变大的趋势。方案5 纤维表面相对比较光滑没有裂纹，说明金属镀膜已经完全覆盖了纤维表面。

图9 40min 分钟镀Ag/Ti 双层金属膜

图10 40min 分钟镀Ag/Ti双层金属膜纤维SEM 图

对比前面的5 个实践方案可以看出，不同工艺参数下金属膜的厚度会有所不同，也会对应产生不同的结构色，结构色的形成取决于金属膜的厚度及折射率等因素。

4 结论

本文通过改变磁控溅射的功率、时间、金属材料种类、镀层层数、镀层时间及功率等工艺参数对蓝色芳纶面料进行结构着色，利用镀层后金属膜对光线的干涉、衍射、反射等现象改变人眼识别面料颜色的视觉差异，产生出颜色各异的效果，通过实践成功对蓝色芳纶面料附加了灰色、银色以及不同程度的金色效果。