PVD技術(shù)現(xiàn)狀及其在汽車內(nèi)飾件上的應(yīng)用

中圖分類號：TG174.444 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20240390

PVD Technology Status and Its Application in Automotive Interior Parts

Huang Qingda'， Zhang Lixin'，Guo Qingtie'，Huang Qingwei2，F(xiàn)an Wenbo' （1.ZhejiangChangjangutomotiveElectronicCoLd.，Wenzhou32525;2.HuizouDongfengEnviromentalProtectioCo.， Huizhou 516200）

Abstract：Physical Vapor Deposition （PVD）is an important means of metalization of plastic surface.This paper summarizes the concept and characteristics of PVD technology such as evaporative plating，sputtering plating and ion plating.Italso elaborates productionprocessof evaporationand sputering plating，andcompares theadvantagesand disadvantages with thoseof plastic plating.Moreover，theapplicationof PVD technology inautomotive interior partsand related testand verification projects are introducedandthedevelopment trendof PVD is summarizedand prospected.

KeyWords：Physical vapordeposition，EvaporationCoating，SputterCoating，Automotive interior

1前言

物理氣相沉積（PhysicalVaporDeposition，PVD）技術(shù)也稱PVD鍍膜技術(shù)，在20世紀(jì)70年代面世，作為高性能保護(hù)涂層應(yīng)用在各類硬質(zhì)合金刀具表面，隨著工業(yè)生產(chǎn)、消費水平的不斷提高，PVD技術(shù)的應(yīng)用范圍從刀具領(lǐng)域逐步擴(kuò)大到電子、光學(xué)、醫(yī)療、汽車模具及零部件領(lǐng)域[-3]。隨著綠色環(huán)保要求的提高，六價鉻電鍍技術(shù)受到了嚴(yán)格限制[4]。在汽車內(nèi)飾件領(lǐng)域，集裝飾性與功能性于一體的智能表面已成為重點發(fā)展方向。PVD技術(shù)可在塑料基體表面附著金屬涂層，實現(xiàn)零部件輕量化并提高金屬質(zhì)感，生產(chǎn)過程不產(chǎn)生工業(yè)廢水，無重金屬污染，逐漸成為汽車制造業(yè)的研究熱點[5]。

本文主要介紹了PVD鍍膜技術(shù)尤其是真空蒸鍍和濺射鍍的技術(shù)特點及在汽車內(nèi)飾件上的應(yīng)用、相關(guān)的試驗驗證項目和發(fā)展前景。

2 PVD技術(shù)原理

PVD技術(shù)是利用物理氣相反應(yīng)生長法，在真空或低氣壓環(huán)境下，將源物質(zhì)如靶材的原子、分子或者離子通過蒸發(fā)或濺射等方式轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，可控地在基材表面沉積形成涂層薄膜的表面處理技術(shù)。此技術(shù)在真空條件下更易完成，故也稱為真空物理氣相沉積技術(shù)，可通過調(diào)整靶材種類、反應(yīng)氣體以及涂層附著厚度實現(xiàn)多種色彩的涂層結(jié)果。PVD鍍膜技術(shù)可分為真空蒸鍍（Evaporation）、濺射鍍（Sputtering）和離子鍍（Ion plating）[6]。

2.1真空蒸鍍

真空蒸發(fā)鍍可簡化為3個基本過程：蒸發(fā)、遷移、沉積。在真空的條件下，加熱待形成表面膜的靶材，使其大量的原子、分子氣化或升華，遷移到工件或基材的表面冷卻沉積形成涂層。

按照蒸發(fā)源的不同，真空蒸鍍主要分為電阻蒸發(fā)鍍、電子束蒸發(fā)鍍、高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)鍍、激光加熱蒸發(fā)鍍]?？筛鶕?jù)蒸發(fā)材料的性質(zhì)、蒸發(fā)材料的潤濕性選擇不同的蒸發(fā)源材料和形狀。

電阻蒸發(fā)鍍8一般用于低熔點的蒸發(fā)材料，如金屬單質(zhì)類（Al、 Ag 等）、金屬化合物 （ZnS，MgF₂ 等）。利用高熔點的、鉬、鎢等金屬制成合適的蒸發(fā)源，加熱放置在蒸發(fā)源中的待蒸發(fā)材料，加熱器產(chǎn)生的焦耳熱足以使蒸發(fā)材料蒸發(fā)。此方法設(shè)備構(gòu)造簡單、生產(chǎn)成本低，已得到大規(guī)模的應(yīng)用，尤其適用于對鍍膜層表面質(zhì)量要求不高的大批量生產(chǎn)。

電子束蒸發(fā)鍍利用電子束作為加熱源進(jìn)行加熱，常用的有e型電子槍和空心陰極電子槍，工作電壓為 6～30kV ，功率密度可達(dá) 104～109W/cm² □電子束蒸發(fā)鍍可蒸發(fā)高熔點材料，如鈦、鉻、氧化鋯等，比一般電阻加熱蒸發(fā)熱效率高、束流密度大、蒸發(fā)速度快，制成的薄膜純度高，厚度控制較準(zhǔn)確，電子束蒸發(fā)是真空蒸鍍的一種重要方式，工業(yè)化應(yīng)用前景廣闊。

高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)鍍利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行加熱，即利用高頻螺旋線圈加熱裝有待蒸發(fā)材料的石墨或陶瓷坩蝸，使材料升溫而氣化蒸發(fā)。

激光加熱蒸發(fā)鍍利用激光束作為熱源加熱蒸鍍，能量密度高，且激光束無需與待蒸發(fā)材料接觸，避免鍍膜層污染。此方法設(shè)備造價較高，應(yīng)用范圍有一定限制。

2.2 濺射鍍

濺射鍍又稱真空濺射鍍、濺射鍍膜等，在真空條件下充入惰性氣體，通常為氬氣（Ar），并在高電壓下使Ar輝光放電，可使Ar電離為 Ar⁺ 。 Ar⁺ 在電場力的作用下，加速轟擊以鍍料制作的陰極靶材，靶材會被濺射沉積到工件表面成膜。隨著高頻濺射技術(shù)的發(fā)展，濺射鍍在工業(yè)界迅速推廣，目前主要有直流濺射鍍（包括二級濺射鍍、三級或四級濺射鍍）射頻濺射鍍、反應(yīng)濺射鍍、磁控濺射鍍等射鍍技術(shù)[6，10]

二級濺射鍍是最早出現(xiàn)的濺射鍍技術(shù)，靶材裝在陰極表面，以安裝鍍膜基片或工件的樣品臺為陽極，利用輝光放電，使靶材原子在工件表面沉積成膜。此方法設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，但膜沉積速率低。

三級和四級濺射鍍是在二級濺射鍍基礎(chǔ)上，為提高膜沉積速率發(fā)展而來，即增加發(fā)射熱電子的熱陰極，增大電離幾率，從而提高膜沉積速率，實現(xiàn)低電壓范圍內(nèi)的濺射鍍。

直流濺射鍍中靶材必須導(dǎo)電，而射頻濺射鍍利用電場方向的高速變換實現(xiàn)無電極放電，增強了電離能力，不僅可用于金屬靶材的濺射，還可用于氧化硅、陶瓷等不導(dǎo)電靶材的濺射。

反應(yīng)濺射鍍在原有惰性氣體上注人活性反應(yīng)氣體，如 O₂，N₂，CH₄ 等，與濺射粒子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成不同于靶材的化合物薄膜。

磁控濺射鍍在直流濺射鍍的基礎(chǔ)上增加了磁場，利用磁控管原理中正交電場與磁場的交互作用，使電子在靶表面附近成螺旋狀運行，從而增大電子撞擊氬氣產(chǎn)生離子的概率。所產(chǎn)生的離子在電場作用下撞向靶面從而濺射出靶材，可實現(xiàn)高速、低溫濺射，是最高效的濺射鍍技術(shù)之一。

2.3 離子鍍

離子鍍又稱真空離子鍍、離子鍍膜等，是指鍍膜和離子轟擊膜層同步發(fā)生的過程，離子轟擊既包含放電氣體的離子，也包含靶材的離子。離子鍍本質(zhì)上是基于真空蒸鍍和濺射鍍2種物理氣相沉積技術(shù)，采用離子轟擊方式的次級技術(shù)。離子鍍具有繞鍍性好、膜層結(jié)合力高且膜層組織均勻致密等優(yōu)點，但由于鍍膜離子的能量過高，易對工件或基體的結(jié)構(gòu)造成損傷，所以不適用于低溫基材的成膜。

2.4PVD對比傳統(tǒng)塑料電鍍的優(yōu)缺點分析

與傳統(tǒng)塑料電鍍相比，PVD優(yōu)點如下：

a.PVD工件表面金屬質(zhì)感的細(xì)膩程度和裝飾效果更優(yōu)；

b.傳統(tǒng)水電鍍僅能提供單調(diào)顏色，PVD可提供色彩豐富的各類涂層；

c.PVD的基材選擇范圍更廣泛，如聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PolymethylMethacrylate，PMMA）、 PC+ 丙烯腈-丁二烯－苯乙 烯（Acrylonitrile Butadiene Styreneplastic，ABS）塑料、聚酰胺（Polyamide，PA）等各類常見的工程塑料，而水電鍍的選材有限，如ABS、PC+ABS、PA等；

d.水電鍍無法直接實現(xiàn)透光功能，而PVD可通過選擇合適的靶材，如鍍In、Sn、Al、Cr等，沉積成半透光效果的膜，使光源穿透涂層；

e.PVD應(yīng)用于觸控類產(chǎn)品可避免水電鍍的靜電誤觸，且從源頭上避免重金屬污染，更綠色環(huán)保。

與傳統(tǒng)塑料電鍍相比，PVD的缺點如下：

a.受限于工藝特點，蒸發(fā)鍍不能選擇熔點過高的靶材；

b.真空蒸鍍的涂層附著性能比水電鍍差，鍍前需噴涂底漆增強鍍層與基材的結(jié)合力，且成本較高，其中，小尺寸零件（尺寸不超過 50mm×50mm 0的生產(chǎn)成本比水電鍍高 50%～100% ，大尺寸零件生產(chǎn)成本比水電鍍高 30%～50% ，另外，濺射鍍的涂層附著性能比真空蒸鍍更均勻、密度更大，但濺射鍍生產(chǎn)成本比真空蒸鍍高 15%～20% ：

c.真空蒸鍍耐磨耐腐蝕性能較差，水電鍍的鍍層厚度一般高于真空蒸鍍。

3 PVD工藝流程

真空蒸鍍主要工藝流程有鍍前處理、裝配、清洗處理、等離子處理、紫外線（Ultraviolet，UV）光油底漆、UV照射烘干、真空蒸發(fā)鍍、UV中漆調(diào)色、UV照射烘干、UV透明面漆、UV照射烘干、成品12道工序。

鍍前處理包括清洗鍍件和無塵布擦凈塑料基材表面的雜質(zhì)、灰塵等，提高后工序合格率；裝配是將塑料基材裝配在真空蒸發(fā)鍍掛具上，并固定在生產(chǎn)線中，同時根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的外觀和功能要求進(jìn)行局部遮擋阻鍍；等離子處理是采用等離子束對工件表面進(jìn)行深度清潔和活化素材，進(jìn)一步改善工件表面特性，更好地完成后工序如涂層、植絨等，適用于塑料、金屬、玻璃等材質(zhì)的表面清理；對于噴底漆工序，因塑料基材在注塑生產(chǎn)時殘留的空氣泡和有機(jī)氣體會使基材表面平整度不足，直接進(jìn)行真空蒸發(fā)鍍效果不理想，噴涂一層光油底漆可增強鍍層與基材的結(jié)合性能，提高鍍層的附著力和表面平整度[，還可根據(jù)要求噴涂不同顏色的底漆；中漆調(diào)色工序可提高基材鍍層的硬度并調(diào)整色澤，如有符號照明要求可在此工序進(jìn)行鐳雕或移印施工。在實際生產(chǎn)中，可根據(jù)產(chǎn)品特性將中漆工序和面漆工序合并，真空蒸鍍成品前至少噴涂3層漆，分別為底漆層（厚度為 8～12μm ）、中漆層（厚度為 1～2μm 和面漆層（厚度為 10～15μm ）。

濺射鍍主要工藝流程與真空蒸發(fā)鍍類似，可將真空蒸發(fā)鍍工序改為濺射鍍工序，另外，濺射鍍可根據(jù)基材和靶材的特性直接濺射，省略涂底漆工序，其余工序流程和作用與真空蒸發(fā)鍍一致。濺射鍍的鍍層厚度可通過調(diào)節(jié)電流和通電時間累加，厚度范圍一般為 0.2～2.0μm ，鍍層過厚會造成表面的原子壘加影響原子之間的致密性。

4PVD在汽車內(nèi)飾中的應(yīng)用情況

PVD可實現(xiàn)照明透光，還可提供豐富的色彩解決方案，更具裝飾感和科技感，且綠色環(huán)保。PVD雖為金屬鍍層，但最外層的UV漆光照固化后可起到絕緣作用，避免了靜電對人體的傷害，提高了內(nèi)飾設(shè)計的靈活性。近兩年，PVD在汽車內(nèi)飾的應(yīng)用上已成為潮流。

極氪001車型換代升級后[12]，包括隱藏式出風(fēng)口在內(nèi)的大多數(shù)裝飾件選用了PVD工藝，提升了整體內(nèi)飾的質(zhì)感和豪華感。領(lǐng)克08采用了玫瑰金色的PVD裝飾內(nèi)飾[13]，更加凸顯運動、科技、性能的設(shè)計理念。

通用汽車環(huán)球科技運作有限責(zé)任公司公布了一種用于顯色以使激光蝕刻無背光顏色中斷的物理氣相沉積涂層組合[4]，包括發(fā)光源（通常為LED）、聚合物基材（通常為透明聚碳酸酯PC）、基材表面的著色底漆、底漆上的半透明金屬涂層以及頂涂層等，如圖1所示。具體方法為：在基材上施加著色底漆，通過PVD在著色底漆上沉積半透明金屬涂層，然后在半透明金屬涂層和著色底漆之間通過激光雕刻出符號區(qū)域以實現(xiàn)LED光線的穿透，最后再覆蓋頂涂層起到保護(hù)作用。著色底漆可根據(jù)需求采用透光或不透光的材質(zhì)，然后通過PVD源材料的變化改變沉積金屬涂層的顏色，且可使用著色頂涂層實現(xiàn)顏色的進(jìn)一步變化。

5 PVD的試驗驗證

對比水電鍍和PVD鍍膜技術(shù)的性能試驗，鍍膜技術(shù)性能試驗相同的項目包括硬度試驗、附著力試驗、耐溶劑試驗、耐濕熱試驗以及耐鹽霧試驗，而水電鍍的鍍層厚度檢測、鎳電化學(xué)勢檢測、微孔數(shù)檢測等性能試驗則與PVD不同，且不同的主機(jī)廠可能會根據(jù)產(chǎn)品特性和要求調(diào)整PVD的部分試驗項目，如增加高低溫存儲試驗、熱老化試驗、水煮試驗、鹽霧試驗等。

5.1 硬度試驗

硬度試驗用于測試PVD鍍膜的抗劃傷性能。試驗方法為使用硬度為1H的試驗專用鉛筆，將鉛芯與待測樣品漆面成 45^° ，施加均衡的壓力切割或刮劃漆膜，形成 5mm 左右的長標(biāo)記，用橡皮擦拭后以 50cm 的距離目視檢查外觀，如圖2、圖3所示，樣件無塑性變形、涂層表面無明顯劃傷或劃破表面層漆膜達(dá)到底層的現(xiàn)象，樣品合格。

5.2 附著力試驗

附著力試驗又稱百格試驗，用于測試PVD鍍膜層與基材結(jié)合的牢固程度。使用美工刀刻畫100個方格，方格間距為 1mm ，每個 1mm×1mm 的小格需割到底材，使用3M膠帶粘附在已割好的網(wǎng)格上并保證完全粘附，停留30＼～90s后垂直 90^° 并瞬間拉起。膠帶共撕4次，第1次用于粘毛屑，以后3次結(jié)果為準(zhǔn)，測試前后的樣件表面如圖4、圖5所示，樣件外觀無剝離、裂痕等現(xiàn)象，樣品合格。

5.3 耐溶劑試驗

耐溶劑試驗用于測試PVD鍍膜抗試劑的性能。在測試儀器上固定測試樣件，并使用浸濕酒精（濃度為 99.5% ）的四層醫(yī)用紗布循環(huán)摩擦樣件表面，摩擦測試荷重為 500g ，測試速度為每秒循環(huán)摩擦一次，測試次數(shù)為150次，測試期間需保持紗布濕潤，每循環(huán)摩擦50次檢查紗布。試驗前后樣件如圖6、圖7所示，樣件表面無褪色，涂層無脫落，底材未露出，樣件合格。

5.4濕熱試驗

濕熱試驗用于測試PVD鍍膜抵抗高溫高濕度環(huán)境的性能。將樣件放置在試驗箱中，設(shè)置溫度為 （65±1 ）℃、相對濕度區(qū)間為 90%±2% ，放置 240h 試驗期間每 ^72h 檢查一次。試驗前后樣件如圖8、圖9所示，樣件無起泡、開裂，涂層無脫落，樣件表面無被腐蝕、發(fā)黃、變形等現(xiàn)象，樣件合格。

5.5 冷熱沖擊試驗

冷熱沖擊試驗用于測試PVD鍍膜抵抗極端溫度環(huán)境的性能。將樣件放置在試驗箱中，設(shè)置溫度為 （80±2）^°C ，并保溫 8h ，結(jié)束后取出，在室溫下放置 0.5h 后再次放入溫度箱，設(shè)置溫度為 （-40±2）^°C ，保溫 8h ，取出在室溫條件下放置 0.5h ，此為一個循環(huán)。連續(xù)6個循環(huán)后將樣件在室溫下放置2h后試驗結(jié)束，樣件外觀如圖10、圖11所示，樣件表面無裂紋、起泡、起皺，涂層無脫落、起泡、起皺等現(xiàn)象，樣件合格。

6結(jié)束語

結(jié)合當(dāng)前汽車行業(yè)PVD技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，可從以下方面提升加強PVD技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用：

a.PVD設(shè)備成本高，尤其是全自動化生產(chǎn)線，可根據(jù)不同產(chǎn)品和市場需求，開發(fā)高性價比的PVD設(shè)備；

b.PVD需要噴涂底漆以改善鍍層的附著力不足的問題，增加了生產(chǎn)成本，應(yīng)加強對PVD鍍膜膜材和基材的研究，如成分組成、微觀結(jié)構(gòu)等，以提升PVD鍍層附著力；

c.發(fā)展復(fù)合材料和特種功能的真空鍍膜材料，豐富鍍膜層的光澤和色彩，提高PVD鍍層流平性以及產(chǎn)品的耐磨性。

參考文獻(xiàn)：

[1]柳琪，王進(jìn)，王小連，等.PVD涂層工業(yè)化應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)

狀[J].鑄造技術(shù)，2018，39（2）：440-444.

[2]趙洋，周林，張濤，等.PVD涂層在汽車模具上的應(yīng)用及結(jié)合力改善研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2019，33（3）： 155-160.

[3]張繼東，李才巨，朱心昆，等.不同基體真空蒸鍍鋁膜的附著力研究[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報（理工版），2006（6）：25-27.

[4]王汝佳.塑料電鍍件在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用一評《汽車塑料件電鍍工藝》[J].塑料工業(yè)，2022，50（7）：177-178.

[5]寧敏清，唐毅，陳明，等.物理氣相沉積用于汽車裝飾件的優(yōu)勢研究[J].裝備制造技術(shù)，2023（2）：91-95.

[6]周志烽，李國恩.物理氣相沉積硬質(zhì)涂層的開發(fā)及工程應(yīng)用[J].電鍍與涂飾，2013，32（3）：75-79

[7]王銀川.真空鍍膜技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].現(xiàn)代儀器，2000（6）：1-4.

[8]王應(yīng)泉.金屬基體表面PVD功能裝飾涂層的設(shè)計、制備與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[D].寧波：中國科學(xué)院大學(xué)（中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所），2022.

[9]邸英浩，曹曉明.真空鍍膜技術(shù)的現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].天津冶金，2004（5）： 45-48+54 美

[10]陳文靜，董少鋒，張洪華，等.不銹鋼表面真空鍍膜方法研究進(jìn)展[J].廣州化工，2019，47（10）：19-20+46.

[11]邸英浩，胡曉鋒，李紅娟.淺析真空鍍膜技術(shù)的現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].科技風(fēng)，2014（8）：272.

[12]車道先Zhi.改款全新極氪001上市，或?qū)⒅厮芡壾囀袌龆▋r策略信息[EB/OL].（2024-03-01）[2024-10-30]https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1792328059411469598amp;wfr=spideramp;for=pc.

[13]CMF設(shè)計軍團(tuán).CMF解讀I領(lǐng)克08，采用大量回收環(huán)保材料及綠色工藝的經(jīng)典車型[EB/OL].（2024-04-12）[2024-10-30].https：//baijiahao. baidu. com/s？id=1796092970131273084amp;wfr=spideramp;for=pc.

[14]通用汽車環(huán)球科技運作有限責(zé)任公司.用于顯色以使激光蝕刻無背光顏色中斷的物理氣相沉積涂層組合：CN202211304188.X[P]. 2023-10-27[2025-02-10].