等离子体金属镀膜保暖服装设计开发范文

摘要：当进行冬日户外活动或面对恶劣环境时，传统的御寒服装不一定能够整日保暖，有导电功能的可发热服装是一种有效的解决方案。目前，市场上的发热功能服装主要采用碳纤维电热原理发热，但制造成本高昂，生产工序复杂，生产周期较长。文章采用低成本的等离子体金属镀膜技术，设计开发了一种可加热保暖服装材料，在织物表面镀上一层可导电的金属膜，接驳便携式电池便能有效地发热。

关键词：保暖服装；发热材料；等离子体金属镀膜

1低压等离子体金属镀膜工艺参数设计

低压等离子体金属镀膜可加热织物成功的关键在于各工艺参数的微妙平衡。决定等离子体金属镀膜工艺效率的因素很多。沉积速率与电流密度、溅射率、离子能量成正比，通过提高其中一个或多个参数值，沉积速率随之增加。其中，电流密度是度量电荷流向和大小的物理量，其对沉积速率有直接影响，因为蒸发沉积工艺中真空室内存在大量来自电子和电离化工作气体的带电粒子，这些带电粒子构成带有高能量水平的等离子体；电流密度与系统功率和电离率成正比。溅射率是溅射原子数与入射离子数的比值，可以理解为材料由离子轰击从靶材被溅射到衬底上的难易程度，在较低的离子能量水平时（<1000eV），溅射率随离子能量的上升而增加，因此，在较低离子能量水平时可通过提高离子能量（调较电压）或电流密度（提高电流）提高溅射粒子量；但在中等离子能量水平（>5000eV）以上时，只增加能量将缺乏效果。表1为一些常见材料在3个能量水平下的溅射率。此外，衬底材料也限制了系统功率的进一步提高。原因是纺织材料通常由有机物质（即天然纤维）或低熔点聚合物（即合成纤维）制成，无法承受过高的离子能量以及高能量带电粒子的过度轰击，否则可能导致纺织材料质量恶化甚至烧毁。纺织材料本质各异，并具有不同的属性和特征，因此用相同工艺参数处理不同材料是不切实际的。本文排除对所有纺织材料过于苛刻的工艺参数范围，在有利于纺织材料等离子体金属镀膜的条件内研究处理参数的最佳范围。由于目前并没有能确定特定种类的纺织材料可承受最大离子能量或电流密度的金科玉律，反复试验仍然是最可靠的方法。因此，在考虑采用新的纺织材料做大规模生产前，建议先通过小规模试验进行测验。通常情况下，用于纺织品的蒸发沉积离子能量不应超过1000eV。其他影响沉积速率的因素还包括电极间距（L）和真空室的压力（P），L、P均与沉积率R成反比，可由式（1）表达。R=k/（L•P），k为常数（1）L、P是决定等离子体能否自我维持的数值。L•P数值大表示等离子体能自我维持，亦表示溅射靶和衬底之间的距离较长和/或真空室内的离子水平较高。两者都会令溅射粒子在溅射靶和衬底之间的距离中与离子碰撞的机会增加，对溅射粒子到达衬底造成阻碍，甚至会导致溅射粒子无法到达衬底，进而降低沉积速率。而L•P数值小则将获得高的沉积速率和更低的随机散射机率。随机溅射是指溅射粒子溅射到衬底以外的其他区域的现象，例如真空室的内壁、真空室内部的其他组件或溅回到溅射靶本身。能自我维持的等离子体对蒸发沉积至关重要，因此，能自我维持的等离子体和较高的沉积速度之间的平衡是一项艰巨的任务。本文通过反复试验，得出了纺织材料低压等离子体金属镀膜工艺的最佳参数值范围，如表2所示。

2低压等离子体金属镀膜织物设计与制作

图案模板是本研究的创新概念之一。通常情况下，金属镀膜织物是将金属镀在整块织物表面，将整块织物用作电阻加热的导电表面。电阻在可加热织物的设计中，是直接影响加热元件的电流水平，从而影响功率消耗和最高温度的关键因素。在既定的织物表面大小和涂层厚度调节空间有限（镀层太厚可能会降低织物的柔软性，太薄则可能容易破损）情况下，当需要改变镀层织物的电阻时，最简单的方法是在织物表面制造类似电路图案的镀层，如费马螺线形（图2（a））、之字形或方波形（图2（b））图案可以扩展电路的长度，从而增加电路的总电阻；而阶梯形（图2（c））图案能制造并联电路，从而降低电路的总电阻。通过在织物上制造不同图案的镀层，可以产生具有不同电阻的可加热织物。在本研究使用的低压等离子体金属镀膜装置中，溅射靶材固定架上方设有一插槽，允许插入一块具有特定图案的模板。该模板可以由不锈钢或陶瓷材料制成，在特定部分阻挡溅射出的金属粒子，以此形成特定图案。同时，基于金属镀膜的可加热织物系统具有很大的设计自由度。如可以仅由金属镀膜可加热织物和必备的电子元件（电线、开关、电源等）组成最简单可加热织物系统；也可以添加不同的组件（发光元件、感应器等），以获得额外的功能（照明或警示、自我温度调节等）。为了使产生的热量均匀地分布在织物表面，还可以在织物表面添加一层导热材料，如铜，使得产生的热量能够迅速向四周转移。需注意的是，铜是一种非常好的导热体，也是一种非常好的导电体，所以铜薄片必须设置绝缘层，否则电路和铜片接触会造成短路。绝缘层材料可选择聚乙烯薄膜，由于厚的绝缘体对热传导有阻碍作用，因此材料越薄越好。最后，用两层普通织物覆盖绝缘铜片和金属镀膜织物为中间层发热织物提供保护，构成可加热织物系统（图3）。使用时，有铜片的一面应朝向使用者。

3基于等离子体金属镀膜的可加热织物性能评价

为了评价所设计制备的可加热织物系统的发热性能，采用容量10000mA、5V的手机备用电源对织物系统进行了加热测试。织物系统发热面积为20cm×23cm，电阻为5Ω，通过电流为1A。可加热织物系统发热温度随时间的变化如图4所示。从图4可以看出，可加热织物系统可在5min内达到37℃左右，此后温度稳定维持在35～37℃，正常情况下可连续使用10h。表3中对比了采用电加热线、碳纤维织物及本研究制备的基于等离子体金属镀层的可加热织物系统的性能。可见，本研究设计开发的基于等离子体金属镀层可加热织物系统在生产成本、生产效率、设计灵活度、织物柔软度和弹性、耐用性、环保性等方面均具有优势。

4结语

本文设计开发的等离子体金属镀层可加热织物制备方案，可将不同的金属，如银、铜、铝、钛和不锈钢等，通过等离子体镀层装置沉积于不同种类的织物，如皮革、棉织物及化学纤维织物等的表面。通过调节等离子体镀层工艺参数，如电压、电流、表面处理时间和布匹转速等，配合镀层电路图案的设计，可使金属镀层织物达到最佳的发热效果。在此基础上，可以通过添加绝缘铜片加速热传导、发光元件或传感器赋予可加热织物系统更好的发热功能以及照明或警示、温度调节等其他功能。本工艺制备的用于服装的可加热织物系统，优势在于：结构轻薄，可褶，易于设计；环保生产，无水工艺；成本低，易于推广；耐洗，耐用；可替代目前的电加热线、碳纤维、金属织物等发热元件。产品可广泛应用于保暖衣、保暖毯、保暖鞋、医用保暖套、汽车座垫、太空用品、军服等领域。

作者：莫崧鹰 何继超 莫曼妮 单位：浙江工业大学之江学院