車燈反光鏡真空鍍鋁層脫落形成機理及對策

【摘" 要】文章先從真空鍍鋁的基本原理分析鍍鋁層脫落的形成機理，然后從結構設計、底涂、硅油、蒸發(fā)舟的參數、注塑件表面品質、外部環(huán)境等角度探討真空鍍鋁層脫落的一系列影響因素和相關對策，并從在線檢測和試驗的角度，提出真空鍍鋁品質的評價方法，最后基于某一項目實踐驗證對策和評價方法的有效性。

【關鍵詞】真空鍍鋁；鍍鋁層脫落；真空舟；反射率

中圖分類號：U463.652" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）02-0082-04

Mechanism on Metallization Layers Peeling-off of Lamp Reflectors and Its Countermeasures

LI Xiangbing，YANG Weimin

（Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Co.，Ltd.，Wuhan 430058，China）

【Abstract】By referring to the principle of vacuum metallization process，this arcitle investigates the mechanism of metallization layer peeling-off phenomena. From the perspectives of structure design，bottom painting，silicon oil，vacuum chamber parameters setting，aspect quality of injection parts and exterior environment，it studies the root causes of vacuum aluminum layer peeling-off and its countermeasures. It also proposes the assessment method of aspect quality on vacuum layers based on the on-line checking and testing. By practicing with one project，it proves the reasonability of these countermeasures and assessment methods.

【Key words】vacuum metallization；metallization layer peeling-off；vacuum chamber；reflecting ratio

車燈作為汽車照明與信號的重要工具，在汽車安全駕駛中起著重要作用。為了提高車燈的感知效果和光學性能，通常會對燈具的某些零件進行表面真空鍍鋁，特別是車燈的反光鏡。

對于車燈反光鏡，鏡面反射率對光學性能起著重要作用。車燈反光鏡的鍍鋁品質直接影響反射率。衡量鍍鋁品質好壞通常由在線檢測和試驗驗證來實現。在實際鍍鋁工藝中，由于工藝參數設置、結構設計、鍍鋁方式選擇等多種因素的限制，導致鍍鋁層的附著力不足，在線檢測和試驗中出現鍍鋁層脫落，嚴重影響車燈的光學性能和使用壽命，降低客戶的滿意度。

1" 真空鍍鋁層脫落的形成機理

1.1" 真空鍍鋁的定義

真空鍍鋁是借助真空泵抽高真空（10mbar以上）條件下，使蒸鍍室中的真空度達到10mbar以上，在高溫下融化鋁絲并蒸發(fā)成氣態(tài)鋁，在塑料件（PC、ABS等塑料）表面沉積、冷卻，形成一層連續(xù)而光亮的金屬鋁層的一種工藝。通常，被鍍金屬材料可以是金、銀、銅、鋅、鉻、鋁等。在車燈開發(fā)中，使用最多的是鍍鋁工藝，比如反光鏡的制造。真空鍍鋁分為無底涂鍍鋁和帶底涂鍍鋁兩種。對于無底涂鍍鋁，鍍保護膜是主要環(huán)節(jié)。影響鍍保護膜工藝最重要的參數是鍍鋁時長。鍍鋁時間過長，膜層表面易發(fā)彩，時長過短，膜層很薄，影響使用效果。對于帶底涂鍍鋁，底漆、鍍鋁都是關鍵環(huán)節(jié)。在鍍鋁過程中，對溫濕度以及真空度的控制也是決定鍍鋁層附著力是否合格的重要因素。

1.2" 鍍鋁層脫落的形成機理分析

車燈塑料件鍍鋁工藝通常存在全鍍鋁和局部鍍鋁兩種方式。對于全鍍鋁零件，由于整個塑料件外表面都包裹一層鋁，且各處鍍鋁層厚度基本相同且附著力相對較高，因此在高低溫交變環(huán)境下，鍍鋁層會抑制塑料件的熱脹冷縮，鍍鋁層與塑料件表面分離導致鍍鋁層脫落的風險相對較低。

對于局部鍍鋁的方式，如圖1所示，由于塑料件只有局部區(qū)域存在鍍鋁層，且由于某些鍍鋁死角區(qū)域的存在（比如反射鏡型腔太深）導致局部鍍鋁層較薄，而局部鍍鋁層較薄的地方通常附著力較低，在高低溫交變的環(huán)境下（85℃和-40℃），由于塑料件的收縮和膨脹導致的尺寸變化量大于鍍鋁層，在附著力薄弱（鍍鋁層?。┑膮^(qū)域，最先開始發(fā)生鍍鋁層與塑料件之間鍍鋁層剝離（圖1中將附著力抽象為一個類似鉚釘的結構），從而引起鍍鋁層的脫落。隨著時間的推移，鍍鋁層薄的區(qū)域逐漸向鍍鋁層厚的區(qū)域逐步延伸，最終導致大面積鍍鋁層脫落。相對于全鍍鋁工藝，局部鍍鋁發(fā)生剝離的風險更高。鍍鋁層脫落不僅嚴重影響外觀品質，對于反光鏡而言，由于局部無鍍鋁層引起反光鏡反射率降低，導致光學性能降低。

2" 影響因素分析及對策

某項目前照燈為反射式LED光源總成結構，真空鍍鋁基材為PC材質，采用局部鍍鋁的方式來實現，在項目開發(fā)階段，在80℃（16h），-20℃（3h），85℃（6h）為1個循環(huán)（總共7個循環(huán)）的老化試驗中，以及對反光鏡進行40℃（72h）的耐水浸泡試驗中，發(fā)現反光鏡鍍鋁層出現大面積脫落，導致產品外觀和光學性能受到嚴重影響。綜合分析發(fā)現，影響鍍鋁層脫落的因素有如下幾點。

2.1" 反光鏡的型腔深度

為了獲得較高的鍍鋁品質，需要確保在鍍鋁過程中鍍鋁件不存在鍍鋁死區(qū)，而鍍鋁死區(qū)通常存在于型腔最深且鍍鋁蒸氣不易到達的區(qū)域。假設L為反光鏡水平開口尺寸，H為反光鏡開口高度，一般Lgt;H。S為反光鏡的開口面積，S=L×H；假設T為反射鏡的深度，則參考如下數學模型來進行設計約束：

上述數學模型中，采用反射鏡的寬度與深度（H/T）的比值作為參考指標，式（2）～式（4）分別是對應的約束條件。

在H、T不變的情況下，反光鏡的反射率R隨著L的增加而增加；當L、T不變時，反射率隨著H的增加而增加；當L、H不變時，反射率隨著T的增加而減少。在實際車燈設計過程中，L和H這2個參數（反射鏡的開口尺寸）在前期設計階段由造型來定義，要想獲得比較高的鍍鋁反射率（比如95%以上），根據模型（1），反射鏡的深度（T）即可對應確定，依據以上模型，即可在設計階段判斷鍍鋁工藝的合理性。

2.2" 底涂

底涂是一種聚氨酯類或氯化聚丙烯類物質。對于真空鍍鋁，增加底涂可以增強鍍鋁層與基材之間的附著力。

1）對于某些基材（如BMC），基材與鍍鋁層附著力差，而膨脹系數相差1個數量級，在熱脹冷縮過程中鋁膜容易破裂，導致鍍鋁層脫落，特別是鍍鋁層比較薄弱的部位（如鍍鋁死區(qū)）。

2）如果在基材表面直接鍍鋁，表面光澤性差，影響車燈外觀品質和光學性能。

3）基材樹脂在真空中放出大量氣體和析出物，影響抽氣速度。

對于不同類型的底涂，相關的適應性基材也有差異。表1中列舉了各種不同底涂與對應的適應性材料之間的性能描述。

在電鍍前，如果采用底涂，需要基于表1對比分析不同底涂對應的適應性材料，否則就會因為適應性不足導致鍍鋁層有脫落風險。當然在設計中也可以不用底涂，常見的基材有PC、PBT、PET+MD等。

2.3" 硅油

硅油又稱為硅氧烷，是一種低分子線型結構聚合物，為無色或淺黃色透明液體。在鍍鋁工藝中，在塑料基材表面涂適量的硅油可以提高鋁層粘性力。在鍍鋁設備上，通過調節(jié)硅油的流量或時間，可以有效控制硅油層在塑料基材表面的厚度，從而控制鍍鋁層在基材表面的附著力。

2.4" 蒸發(fā)舟電流

蒸發(fā)速率與加熱電流、氣體壓強和蒸發(fā)舟的形狀有關。為了更好控制鋁蒸舟的蒸發(fā)速率，通常會設計一個帶有小孔的蓋子來調節(jié)蒸發(fā)室與外部的壓強差，從而將內外溫度差值控制在合理范圍內。蒸發(fā)舟的電流數學模型如下：

A——蒸發(fā)舟的散熱面積。

從上述數學模型可以看出，鍍鋁真空度越高，則空氣密度越?。惠椛湎禂郸旁叫?，則蒸發(fā)舟的熱輻射損失相對較小，蒸發(fā)舟的溫度提高，減少了蒸發(fā)舟的面積，而在相同的氣壓下（真空度下），蒸發(fā)舟的輻射系數ε為定值，所以熱輻射散熱損失小，引起蒸發(fā)舟的溫度上升。

2.5" 模具的表面品質

模具表面品質一般用粗糙度來衡量。影響表面粗糙度的因素有材料種類、模具精度等。鍍鋁件的模具表面粗糙度數值一般低于非鍍鋁零件。對于不同材料，由于自身屬性差異，其表面粗糙度也存在不同。從表2看出，在相同的模具加工條件下，實測粗糙度基本一致，PC+ABS材料的樣板表面粗糙度略大一些。

圖2顯示，隨著表面粗糙度減?。＞呔雀撸?，反射率也會隨之提高。在表面加工精度相同的前提下，PC+ABS材料鍍鋁反射率最低。

從圖2看出，隨著粗糙度降低（模具精度更高時），鏡面反射率不斷提升。同一類型材料，不同基材的鏡面反射率基本相似。所以在車燈設計時，對于鍍鋁零件，特別是反射鏡，建議材料的表面粗糙度Ｒa小于0.05μm。

2.6" 鍍鋁的方式

車燈鍍鋁的實現方式分為全鍍鋁和局部鍍鋁。全鍍鋁方式一般整個零件的內外側都有鍍鋁。對于存在很深型腔的反光鏡，如果采用局部鍍鋁，如圖3所示，鍍鋁蒸氣的運動方向為1，在反射鏡深腔的局部區(qū)域通常會出現鍍鋁死角區(qū)域，導致鍍鋁層過薄、附著力不足。如果采用全鍍鋁方式，在這些鍍鋁死角區(qū)域，鍍鋁蒸氣的運動方向除了1之外，還有運動方向2的鍍鋁蒸氣通過反光鏡上的光源孔進入反光鏡內，這樣就可以很好補償死角區(qū)域的鍍鋁量，保證局部鍍鋁工藝中某些死角區(qū)域的鍍鋁層厚度，大大改善這些區(qū)域的鋁層附著力。

對于反射式車燈反光鏡，由于電路板需要安裝在反射鏡上，實現光學效果，因此，為避免鍍鋁層與電路板上的銅層接觸而導致電路板短路或其他故障，電路板與反光鏡接觸的區(qū)域是不能鍍鋁的，如圖3所示。在某些情況下，鍍鋁反光鏡除了作為光學器件，還作為造型元素，為保證某些區(qū)域的造型不發(fā)生改變，可以采用全鍍鋁和局部遮蔽的方式來實現功能和美學的統一。

2.7" 外界環(huán)境的影響

試驗研究表明，在環(huán)境污染比較嚴重的地區(qū)（二氧化硫、二氧化碳等酸性氣態(tài)超標的環(huán)境）比處于較好溫濕度環(huán)境下，鍍鋁表面反射率衰減更快。在最初3個月內，其衰減值遠高于后續(xù)的衰減值。反射率衰減一般呈現一種先快后慢的趨勢。為避免鍍鋁反光鏡加速老化，特別是對于鍍鋁層薄弱的區(qū)域，在鍍鋁工藝完成后，需要盡快使用保護膜，以減緩新鮮膜層的氧化。

3" 鍍鋁品質的評價

鍍鋁品質的好壞，直接影響產品的外觀、光學性能以及可靠性。一種科學、簡單的評價方法，對衡量鍍鋁品質至關重要。鍍鋁品質的評價一般分為產線評價法和試驗驗證法。對于產線評價方法，通常包含如下兩種。

3.1" 附著力測試

該方法主要用來衡量鍍層與被鍍表面之間的牢固程度。用白格刀在鍍鋁面上畫10×10（100個）的小方格，每一條劃線深及油漆底層；然后用強力膠帶（比如3M膠帶）牢牢粘住被測試的小網格后用力撕開，具體操作方法是：用一只手壓住樣品，另一只手以180°角，按照100～120mm/min的速度勻速剝離膠帶，根據膠紙上的粘附情況來評定附著力，根據鋁層被粘起的程度評價。其中，A級：膠帶表面干凈完好；B級：要求被粘起的鋁層不超多30%；C級：要求被粘起鋁層超過30%。根據不同的測試部位或功能，確定評價等級。

3.2" 氫氧化鈉試劑法

該方法主要用于測試保護膜對鍍鋁的保護效果。試驗采用1%苛性鈉水溶液在常溫下浸泡或滴定10min以上，以鍍鋁層不出現腐蝕或脫落為合格。如圖4所示，在NaOH試劑點滴過程中，位置選取對品質的判定也很重要。對于鍍鋁反光鏡，一般選取型腔最深的區(qū)域或者型腔內拐角區(qū)域，這些地方都是鍍鋁層較薄的區(qū)域，也是評價整個產品附著力是否合格的重要參考。

3.3" 鍍鋁層厚度測量

電阻法是利用歐姆定律對金屬層厚度進行檢測的方法。根據歐姆定律：

R=ρ×L/S（6）

式中：L——鍍鋁層厚度；S——鍍鋁面積；ρ——電阻率；R——電阻。

從數學模型可以看出，所測量的單位面積的電阻與鍍鋁層厚度成反比關系。對于試驗評價方法，一般采用如下幾種方法來進行驗證。

1）交替高低溫測試法：該方法一般針對整燈完成試驗，主要評價材料在熱脹冷縮的情況下鍍鋁層是否會出現麻點、脫落的問題。評價的方法是將車燈放入溫度箱中，在85℃和-20℃的溫度交替中完成至少7個循環(huán)的耐久試驗，每個循環(huán)的定義是，在高溫環(huán)境下，要求在溫度85℃、濕度95%環(huán)境中放置16h，然后迅速放置在-20℃的環(huán)境中3h，然后重新升溫至85℃放置6h，以評價零件表面的外觀品質。經過試驗驗證，采用全鍍鋁和局部遮蔽的方案未出現任何異常（白點、鍍鋁層脫落等）。

2）鍍鋁層的耐水性能測試：將鍍鋁零件完全浸泡在水溫為40℃中72h，觀察鍍鋁層是否存在脫落。對于鍍鋁層附著力較差的零件，一般放置24h，即會出現嚴重的鍍鋁層脫落，這些區(qū)域主要集中在鍍鋁層薄弱的區(qū)域。在本項目中，采用全鍍鋁和局部遮蔽的方案之后，鍍鋁件放置72h依然煥然如新，說明所有區(qū)域的鍍鋁層厚度和附著力均能滿足要求。

3）光學性能測試：光學性能測試為一種間接測量方法，是通過測量鍍鋁反光鏡的光學性能來評估鍍鋁層是否達標的方法。光學性能測試一般基于國標規(guī)定的測量點在配光室進行測量，對于近遠光反光鏡，還需要掃描光通量（整燈以及鍍鋁反光鏡）并與改進之前進行對比，看是否有光學性能提升。一般而言，采用全鍍鋁的方式，由于所有區(qū)域鍍鋁層的厚度均能滿足要求，反光鏡的反射率相對較高，它比局部鍍鋁的方式光學性能會有提升。

4" 結論及展望

改進方案對比見表3，改進效果橫向對比見表4。

本文基于現有項目的開發(fā)經驗，結合理論與試驗，從結構設計、底涂、硅油、蒸發(fā)舟的參數、注塑件表面品質、外部環(huán)境等角度研究了車燈鍍鋁層脫落的一系列影響因素和相關對策，并從在線檢測和試驗的角度，提出了真空鍍鋁品質的評價方法，并基于某一項目實踐，驗證了全鍍鋁和局部遮蔽方案的有效性。

從本文的分析可以看出，提升產品工業(yè)化階段鍍鋁品質，需要在前期設計中對相關設計參數的合理性進行把關，比如鍍鋁型腔的設計深度、鍍鋁方式的選擇（全鍍鋁或局部鍍鋁）、底涂等，只有在前期識別出這些風險，才能保證在后續(xù)工業(yè)化階段少走彎路，減少人力資源的浪費。

參考文獻：

[1] 陶永亮. 車燈塑料件真空鍍鋁缺陷分析與對策[J]. 電鍍與涂飾，2021，40（2）：96-101.

[2] 郭健，魏煥軍，楊麗娜，等. 加熱溫度與保溫時間對鋁-硅鍍層組織演變的影響[J]. 理化檢驗（物理分冊），2021，57（1）：29-31，34.

[3] 周立果，王萍. 預制膜厚度對鋁硅合金CPED陶瓷層組織及隔熱性能的影響[J]. 西安工業(yè)大學學報，2017，37（5）：397-404.

[4] Peugeot et citroen groupe. spécification technique normative：face arrière，face laterale eclairage et signalization[Z]. 2016.（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2023-06-25

作者簡介

李祥兵，男，正高級工程師，碩士，從事車燈研發(fā)工作。