等離子體金屬鍍膜保暖服裝設計開發范文

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摘要：當進行冬日戶外活動或面對惡劣環境時，傳統的御寒服裝不一定能夠整日保暖，有導電功能的可發熱服裝是一種有效的解決方案。目前，市場上的發熱功能服裝主要采用碳纖維電熱原理發熱，但制造成本高昂，生產工序復雜，生產周期較長。文章采用低成本的等離子體金屬鍍膜技術，設計開發了一種可加熱保暖服裝材料，在織物表面鍍上一層可導電的金屬膜，接駁便攜式電池便能有效地發熱。

關鍵詞：保暖服裝；發熱材料；等離子體金屬鍍膜

1低壓等離子體金屬鍍膜工藝參數設計

低壓等離子體金屬鍍膜可加熱織物成功的關鍵在于各工藝參數的微妙平衡。決定等離子體金屬鍍膜工藝效率的因素很多。沉積速率與電流密度、濺射率、離子能量成正比，通過提高其中一個或多個參數值，沉積速率隨之增加。其中，電流密度是度量電荷流向和大小的物理量，其對沉積速率有直接影響，因為蒸發沉積工藝中真空室內存在大量來自電子和電離化工作氣體的帶電粒子，這些帶電粒子構成帶有高能量水平的等離子體；電流密度與系統功率和電離率成正比。濺射率是濺射原子數與入射離子數的比值，可以理解為材料由離子轟擊從靶材被濺射到襯底上的難易程度，在較低的離子能量水平時（<1000eV），濺射率隨離子能量的上升而增加，因此，在較低離子能量水平時可通過提高離子能量（調較電壓）或電流密度（提高電流）提高濺射粒子量；但在中等離子能量水平（>5000eV）以上時，只增加能量將缺乏效果。表1為一些常見材料在3個能量水平下的濺射率。此外，襯底材料也限制了系統功率的進一步提高。原因是紡織材料通常由有機物質（即天然纖維）或低熔點聚合物（即合成纖維）制成，無法承受過高的離子能量以及高能量帶電粒子的過度轟擊，否則可能導致紡織材料質量惡化甚至燒毀。紡織材料本質各異，并具有不同的屬性和特征，因此用相同工藝參數處理不同材料是不切實際的。本文排除對所有紡織材料過于苛刻的工藝參數范圍，在有利于紡織材料等離子體金屬鍍膜的條件內研究處理參數的最佳范圍。由于目前并沒有能確定特定種類的紡織材料可承受最大離子能量或電流密度的金科玉律，反復試驗仍然是最可靠的方法。因此，在考慮采用新的紡織材料做大規模生產前，建議先通過小規模試驗進行測驗。通常情況下，用于紡織品的蒸發沉積離子能量不應超過1000eV。其他影響沉積速率的因素還包括電極間距（L）和真空室的壓力（P），L、P均與沉積率R成反比，可由式（1）表達。R=k/（L•P），k為常數（1）L、P是決定等離子體能否自我維持的數值。L•P數值大表示等離子體能自我維持，亦表示濺射靶和襯底之間的距離較長和/或真空室內的離子水平較高。兩者都會令濺射粒子在濺射靶和襯底之間的距離中與離子碰撞的機會增加，對濺射粒子到達襯底造成阻礙，甚至會導致濺射粒子無法到達襯底，進而降低沉積速率。而L•P數值小則將獲得高的沉積速率和更低的隨機散射機率。隨機濺射是指濺射粒子濺射到襯底以外的其他區域的現象，例如真空室的內壁、真空室內部的其他組件或濺回到濺射靶本身。能自我維持的等離子體對蒸發沉積至關重要，因此，能自我維持的等離子體和較高的沉積速度之間的平衡是一項艱巨的任務。本文通過反復試驗，得出了紡織材料低壓等離子體金屬鍍膜工藝的最佳參數值范圍，如表2所示。

2低壓等離子體金屬鍍膜織物設計與制作

圖案模板是本研究的創新概念之一。通常情況下，金屬鍍膜織物是將金屬鍍在整塊織物表面，將整塊織物用作電阻加熱的導電表面。電阻在可加熱織物的設計中，是直接影響加熱元件的電流水平，從而影響功率消耗和最高溫度的關鍵因素。在既定的織物表面大小和涂層厚度調節空間有限（鍍層太厚可能會降低織物的柔軟性，太薄則可能容易破損）情況下，當需要改變鍍層織物的電阻時，最簡單的方法是在織物表面制造類似電路圖案的鍍層，如費馬螺線形（圖2（a））、之字形或方波形（圖2（b））圖案可以擴展電路的長度，從而增加電路的總電阻；而階梯形（圖2（c））圖案能制造并聯電路，從而降低電路的總電阻。通過在織物上制造不同圖案的鍍層，可以產生具有不同電阻的可加熱織物。在本研究使用的低壓等離子體金屬鍍膜裝置中，濺射靶材固定架上方設有一插槽，允許插入一塊具有特定圖案的模板。該模板可以由不銹鋼或陶瓷材料制成，在特定部分阻擋濺射出的金屬粒子，以此形成特定圖案。同時，基于金屬鍍膜的可加熱織物系統具有很大的設計自由度。如可以僅由金屬鍍膜可加熱織物和必備的電子元件（電線、開關、電源等）組成最簡單可加熱織物系統；也可以添加不同的組件（發光元件、感應器等），以獲得額外的功能（照明或警示、自我溫度調節等）。為了使產生的熱量均勻地分布在織物表面，還可以在織物表面添加一層導熱材料，如銅，使得產生的熱量能夠迅速向四周轉移。需注意的是，銅是一種非常好的導熱體，也是一種非常好的導電體，所以銅薄片必須設置絕緣層，否則電路和銅片接觸會造成短路。絕緣層材料可選擇聚乙烯薄膜，由于厚的絕緣體對熱傳導有阻礙作用，因此材料越薄越好。最后，用兩層普通織物覆蓋絕緣銅片和金屬鍍膜織物為中間層發熱織物提供保護，構成可加熱織物系統（圖3）。使用時，有銅片的一面應朝向使用者。

3基于等離子體金屬鍍膜的可加熱織物性能評價

為了評價所設計制備的可加熱織物系統的發熱性能，采用容量10000mA、5V的手機備用電源對織物系統進行了加熱測試?？椢锵到y發熱面積為20cm×23cm，電阻為5Ω，通過電流為1A?？杉訜峥椢锵到y發熱溫度隨時間的變化如圖4所示。從圖4可以看出，可加熱織物系統可在5min內達到37℃左右，此后溫度穩定維持在35～37℃，正常情況下可連續使用10h。表3中對比了采用電加熱線、碳纖維織物及本研究制備的基于等離子體金屬鍍層的可加熱織物系統的性能?？梢?，本研究設計開發的基于等離子體金屬鍍層可加熱織物系統在生產成本、生產效率、設計靈活度、織物柔軟度和彈性、耐用性、環保性等方面均具有優勢。

4結語

本文設計開發的等離子體金屬鍍層可加熱織物制備方案，可將不同的金屬，如銀、銅、鋁、鈦和不銹鋼等，通過等離子體鍍層裝置沉積于不同種類的織物，如皮革、棉織物及化學纖維織物等的表面。通過調節等離子體鍍層工藝參數，如電壓、電流、表面處理時間和布匹轉速等，配合鍍層電路圖案的設計，可使金屬鍍層織物達到最佳的發熱效果。在此基礎上，可以通過添加絕緣銅片加速熱傳導、發光元件或傳感器賦予可加熱織物系統更好的發熱功能以及照明或警示、溫度調節等其他功能。本工藝制備的用于服裝的可加熱織物系統，優勢在于：結構輕薄，可褶，易于設計；環保生產，無水工藝；成本低，易于推廣；耐洗，耐用；可替代目前的電加熱線、碳纖維、金屬織物等發熱元件。產品可廣泛應用于保暖衣、保暖毯、保暖鞋、醫用保暖套、汽車座墊、太空用品、軍服等領域。

作者：莫崧鷹 何繼超 莫曼妮 單位：浙江工業大學之江學院