明德梅，時雅菁，嚴濤海，2，馮 琴，黃永森，張諾穎，黃露明，陸東東

（1.閩江學院 服裝與藝術工程學院，福建 福州 350108；2.福建東龍針紡有限公司專家工作站，福建 福州 350217；3.春暉科技集團有限公司，福建 福州 350018；4.福建華峰新材料有限公司 福建省運動鞋面料重點實驗室，福建 莆田 351164）

磁控濺射是物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）的一種。磁控濺射鍍膜技術是在真空的環(huán)境之中進行納米金屬膜的制備，它是目前真空環(huán)境鍍膜技術中應用較廣泛的技術[1]。它是通過物理學的光學作用原理，把金屬片放在稀薄氣體（通常為氬氣）之中，并且在陰陽兩極之間附加上高強度的電荷并產生輝光放電現(xiàn)象。此時在陰陽兩極之間會產生大量的陽離子。陽離子在電場力的作用之下會撞向負極。在這個反應過程之中，離子會和靶材表面的原子發(fā)生相撞，在碰到之后碰出的靶原子稱為濺射原子。靶原子經過一定的時間沉積之后，可在紡織品基材表面鍍上金屬以及金屬氧化物薄膜?？刂茷R射的時間等參數可得到不同的色彩以及花形圖案，也可以研究生色紡織品的抗菌性、穩(wěn)定性、抗氧化性以及催化功能。根據實際需要，可制備出更多功能的結構色紡織品。磁控濺射技術著色以其綠色、環(huán)保的制備優(yōu)點，在未來的紡織品著色以及生色領域會有廣闊的應用前景。

1 紡織品結構色產生的原理

紡織品的顏色是十分豐富的，有的是用染料進行著色，有的是用顏料進行著色，而結構色與這兩種顏色的著色方式是不同的。結構色無需采用染料、顏料著色，而是采用量子光學原理，由色散、散射、干涉和衍射引起選擇反射產生的顏色。因此結構生色也被稱為物理生色。在紡織行業(yè)中，印染工藝是無法替換的重要部分，不僅是帶動紡紗織造的關鍵技術，也是提升服用及家用紡織品檔次和附加值的重要手段。迄今為止，紡織品的圖案、顏色大部分使用染料、顏料進行印染加工，也就是采用色素生色。在加工過程中，需要的化學染料、助劑等不僅會污染環(huán)境，還對人體造成危害。結構生色是一種沒有污染、不需化學試劑的生態(tài)仿生著色途徑，它具有虹彩效應，也具有不懼日光、飽和度高、亮度高、顏色靚麗、不易褪色、對人體無害和綠色環(huán)保等優(yōu)點，因此采用結構生色的紡織品將越來越受到重視，并具有很好的應用前景。

物體本身結構的存在對光產生衍射、反射、干涉等物理作用生成顏色是結構色的著色方式[2]。結構色是一種不使用染料、顏料著色就能生成的顏色。結構生色的主要原理如下。

多層膜干涉、單層膜干涉是薄膜干涉產生結構色的主要形式。因為薄膜上下表面具有一定光程差的反射光在上表面發(fā)生了干涉，所以產生了這些現(xiàn)象。碧鳳蝶、日本寶石甲蟲、藍閃蝶等是薄膜干涉中比較典型的代表。

光子晶體是一類具有光子禁帶特性的微結構的統(tǒng)稱。光子晶體結構色是這種微結構對可見光選擇性作用的結果，也是組成自然界結構色的重要方式之一。在非生物領域中蛋白石顯色是其最典型的代表。

其他光的散射、色散、光柵衍射等原因也會產生結構色現(xiàn)象。在自然現(xiàn)象中，藍天是光散射產生結構色最為突出的代表。太陽光在進入大氣層時，波長較短的藍、青、紫等顏色的光由于受到空氣中微細的塵埃作用發(fā)生了散射。而彩虹現(xiàn)象則是由于光在微細液滴的作用下發(fā)生了色散作用。

2 結構生色的應用

在織物的表面鍍膜的物理方法有溶膠凝膠法，化學方法有沉淀法等，但是和利用磁控濺射技術鍍膜相比，磁控濺射鍍膜技術有穩(wěn)定性強、附著力強、色彩牢固、色彩艷麗以及不易褪色等優(yōu)點。

在我國也有很多專家學者對結構色進行了研究。結構色最大的優(yōu)點就是沒有利用化學助劑與水資源進行顏色的著色，這也是其與傳統(tǒng)的紡織品印染工業(yè)相比最大的區(qū)別，對環(huán)境的保護起到了關鍵性作用。蘇州大學的某課題研究小組利用電泳沉積技術使帶負電性的3 種聚苯乙烯微球（粒徑為185～290nm）吸附在碳纖維的表面，從而制備得到了新的結構生色纖維。目前，已制備出了呈現(xiàn)藍、綠、紅3 種顏色的纖維，相信在不久的將來，還會制備出更多的顏色[3]。

江南大學的魏取福教授論述了如何利用磁控濺射制備多功能納米Ag/TiO2結構色復合膜的研究，這項研究是在特定的恒溫恒濕的條件下，通過采用磁控濺射的方法在滌綸紡的非織造布上覆蓋上一層納米Ag 薄膜。在磁控濺射制備Ag/TiO2的制備過程中，對織物的導電性、抗菌性、抗靜電性等進行了一系列的研究。從研究了解到磁控濺射的時間、濺射的功率、溫度、以及大氣壓的壓強等，都會對鍍出來的膜的特性產生巨大的影響。在Ag/TiO2薄膜中，納米粒子的數量以及薄膜的厚度都會對薄膜的特性（比如導電性能、抗靜電性能）產生影響。根據實驗的結果可以得出結論，在恒溫恒濕特定的大氣條件之中，隨著濺射功率的增加，Ag/TiO2復合膜之中Ag 粒子的尺寸也增大[4]。

山東某高校實驗小組利用電泳沉積法在Si 襯底制備出了MgO 薄膜，MgO 薄膜是一種很好的抗靜電材料，在人們的生活中能起到良好的保護作用，并且制備工藝方便簡單，為人們的生活提供方便[5]。

3 磁控濺射法在紡織品的結構生色實踐

通過采用磁控濺射技術，在織物表面制備出納米金屬膜，單層納米金屬膜的顏色變化不如雙層納米金屬膜變化多樣，因此在制備出第1 層納米金屬膜之后，再用直流磁控濺射的方法，濺射第2 層的納米金屬膜，從而形成多種多樣的金屬結構色復合膜。

機器參數統(tǒng)一設置為：低真空2.0×101Pa，高真空1.5×10-3Pa，氬氣壓強1.6×101Pa。

織物統(tǒng)一使用了藍色芳綸面料作為基布?？紤]到芳綸難以染色，一般采用原液著色的方式使之具有特殊顏色，比如藍色、黃色、黑色等，但其他個性化顏色在市面上非常少見，這不符合面料個性化的發(fā)展趨勢。因此本實踐應用磁控濺射的方法在芳綸面料上進行著色，并分別嘗試了不同金屬原料、鍍層層數、功率和時間等磁控濺射的工藝參數。

3.1 磁控濺射Ti/Al 金屬膜

方案1 采用功率為120W，時間為30min，依次分別鍍第1 層Ti、鍍第2 層Al。結構色效果如圖1 所示。從圖1 可見藍色背景下明顯存在淺灰色圖案，淺灰色圖案即為磁控濺射下的Ti/Al 金屬膜，淺灰色即為金屬膜在光干涉、散射、反射下形成的結構色。圖2 為磁控濺射下的Ti/Al 金屬膜鍍層在纖維上的SEM 圖。方案1 纖維平均直徑為17.7μm，纖維表面可見的明顯亮點及反光區(qū)即為鍍層的Ti/Al 金屬顆粒及膜。

圖1 Ti/Al 金屬膜結構色

圖2 Ti/Al 金屬膜纖維SEM 圖

3.2 磁控濺射Ag 單層膜

方案2 采用功率為100W，時間為15min，利用磁控濺射鍍Ag 單層金屬膜。鍍Ag 單層金屬膜后藍色背景下產生銀色結構色，顏色非常清晰，還有一種晃眼的流動色彩（見圖3）。這種變色是Ag 單層金屬膜發(fā)生干涉、反射等效果產生的結構色。圖4 為Ag 單層金屬鍍膜纖維SEM 圖。方案2 纖維平均直徑為15.6μm，纖維表面有一些裂紋。分析后認為裂紋是因為鍍層不均勻導致纖維某些部位鍍層較多而某些部位鍍層較少所致。

圖3 Ag 單層金屬鍍膜

圖4 Ag 單層金屬鍍膜纖維SEM 圖

3.3 不同工藝控制下磁控濺射Ag/Ti 雙層膜

方案3 采用功率為80W，時間為20min，依次磁控濺射鍍第1 層Ag、鍍第2 層Ti，形成Ag/Ti 雙層金屬膜。圖5 所示為20min 鍍Ag/Ti 雙層金屬膜后顯示的金色結構色。方案3 的金色結構色即為Ag/Ti 雙層金屬膜發(fā)生干涉、反射等后的視覺效果。圖6 所示為20min 鍍Ag/Ti 雙層金屬膜纖維SEM 圖。方案3 纖維平均直徑為15.8μm，纖維表面的裂紋說明金屬鍍膜并沒有完全覆蓋纖維表面。

圖5 20min 鍍Ag/Ti雙層金屬膜

圖6 20min 鍍Ag/Ti 雙層金屬膜纖維SEM 圖

方案4 采用功率為100W，時間為30min，依次磁控濺射第1 層鍍Ag、第2 層鍍Ti，形成Ag/Ti 雙層金屬膜。圖7 所示為30min 鍍Ag/Ti 雙層金屬膜顯示的深金色結構色。方案4 的深金色相對于方案3 的金色顯得更深，究其原因在于功率增加了20W，時間延長了10min，金屬膜的厚度發(fā)生了變化，使得顏色也發(fā)生了變化。此顏色即為Ag/Ti 雙層金屬膜發(fā)生干涉、反射等光學現(xiàn)象后形成的結構色。圖8 所示為30min 鍍Ag/Ti 雙層金屬膜纖維SEM 圖。方案4 纖維平均直徑為16.0μm，直徑相較于方案3 略有增加。方案4 纖維表面相對于方案3 更加光滑但有少許裂紋，說明金屬鍍膜尚未完全覆蓋纖維表面，但是覆蓋效果相對更佳。

圖7 30min 鍍Ag/Ti雙層金屬膜

圖8 30min 鍍Ag/Ti 雙層金屬膜纖維SEM 圖

方案5 采用功率為120W，時間為40min，依次磁控濺射第1 層鍍Ag、第2 層鍍Ti，形成Ag/Ti 雙層金屬膜。圖9 所示為40min 鍍Ag/Ti 雙層金屬膜顯示的金色偏紅結構色，此結構色即為Ag/Ti 雙層金屬膜發(fā)生干涉、反射等后的視覺效果。圖10 所示為40min 鍍Ag/Ti 雙層金屬膜纖維SEM 圖。方案5 纖維平均直徑為16.3μm，對比方案3 和方案4 發(fā)現(xiàn)纖維直徑隨著功率增加、鍍膜時間增加有變大的趨勢。方案5 纖維表面相對比較光滑沒有裂紋，說明金屬鍍膜已經完全覆蓋了纖維表面。

圖9 40min 分鐘鍍Ag/Ti 雙層金屬膜

圖10 40min 分鐘鍍Ag/Ti雙層金屬膜纖維SEM 圖

對比前面的5 個實踐方案可以看出，不同工藝參數下金屬膜的厚度會有所不同，也會對應產生不同的結構色，結構色的形成取決于金屬膜的厚度及折射率等因素。

4 結論

本文通過改變磁控濺射的功率、時間、金屬材料種類、鍍層層數、鍍層時間及功率等工藝參數對藍色芳綸面料進行結構著色，利用鍍層后金屬膜對光線的干涉、衍射、反射等現(xiàn)象改變人眼識別面料顏色的視覺差異，產生出顏色各異的效果，通過實踐成功對藍色芳綸面料附加了灰色、銀色以及不同程度的金色效果。