PVD技術現狀及其在汽車內飾件上的應用

中圖分類號：TG174.444 文獻標志碼：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，Fan 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）技術也稱PVD鍍膜技術，在20世紀70年代面世，作為高性能保護涂層應用在各類硬質合金刀具表面，隨著工業生產、消費水平的不斷提高，PVD技術的應用范圍從刀具領域逐步擴大到電子、光學、醫療、汽車模具及零部件領域[-3]。隨著綠色環保要求的提高，六價鉻電鍍技術受到了嚴格限制[4]。在汽車內飾件領域，集裝飾性與功能性于一體的智能表面已成為重點發展方向。PVD技術可在塑料基體表面附著金屬涂層，實現零部件輕量化并提高金屬質感，生產過程不產生工業廢水，無重金屬污染，逐漸成為汽車制造業的研究熱點[5]。

本文主要介紹了PVD鍍膜技術尤其是真空蒸鍍和濺射鍍的技術特點及在汽車內飾件上的應用、相關的試驗驗證項目和發展前景。

2 PVD技術原理

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

2.1真空蒸鍍

真空蒸發鍍可簡化為3個基本過程：蒸發、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。

按照蒸發源的不同，真空蒸鍍主要分為電阻蒸發鍍、電子束蒸發鍍、高頻感應加熱蒸發鍍、激光加熱蒸發鍍]?？筛鶕舭l材料的性質、蒸發材料的潤濕性選擇不同的蒸發源材料和形狀。

電阻蒸發鍍8一般用于低熔點的蒸發材料，如金屬單質類（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源，加熱放置在蒸發源中的待蒸發材料，加熱器產生的焦耳熱足以使蒸發材料蒸發。此方法設備構造簡單、生產成本低，已得到大規模的應用，尤其適用于對鍍膜層表面質量要求不高的大批量生產。

電子束蒸發鍍利用電子束作為加熱源進行加熱，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 104～109W/cm² □電子束蒸發鍍可蒸發高熔點材料，如鈦、鉻、氧化鋯等，比一般電阻加熱蒸發熱效率高、束流密度大、蒸發速度快，制成的薄膜純度高，厚度控制較準確，電子束蒸發是真空蒸鍍的一種重要方式，工業化應用前景廣闊。

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

激光加熱蒸發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材料接觸，避免鍍膜層污染。此方法設備造價較高，應用范圍有一定限制。

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。隨著高頻濺射技術的發展，濺射鍍在工業界迅速推廣，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、反應濺射鍍、磁控濺射鍍等射鍍技術[6，10]

二級濺射鍍是最早出現的濺射鍍技術，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。此方法設備結構簡單，但膜沉積速率低。

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

直流濺射鍍中靶材必須導電，而射頻濺射鍍利用電場方向的高速變換實現無電極放電，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、陶瓷等不導電靶材的濺射。

反應濺射鍍在原有惰性氣體上注人活性反應氣體，如 O₂，N₂，CH₄ 等，與濺射粒子進行化學反應，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生離子的概率。所產生的離子在電場作用下撞向靶面從而濺射出靶材，可實現高速、低溫濺射，是最高效的濺射鍍技術之一。

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。離子鍍本質上是基于真空蒸鍍和濺射鍍2種物理氣相沉積技術，采用離子轟擊方式的次級技術。離子鍍具有繞鍍性好、膜層結合力高且膜層組織均勻致密等優點，但由于鍍膜離子的能量過高，易對工件或基體的結構造成損傷，所以不適用于低溫基材的成膜。

2.4PVD對比傳統塑料電鍍的優缺點分析

與傳統塑料電鍍相比，PVD優點如下：

a.PVD工件表面金屬質感的細膩程度和裝飾效果更優；

b.傳統水電鍍僅能提供單調顏色，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應用于觸控類產品可避免水電鍍的靜電誤觸，且從源頭上避免重金屬污染，更綠色環保。

與傳統塑料電鍍相比，PVD的缺點如下：

a.受限于工藝特點，蒸發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的生產成本比水電鍍高 50%～100% ，大尺寸零件生產成本比水電鍍高 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、真空蒸發鍍、UV中漆調色、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、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鍍掛具上，并固定在生產線中，同時根據產品設計的外觀和功能要求進行局部遮擋阻鍍；等離子處理是采用等離子束對工件表面進行深度清潔和活化素材，進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、玻璃等材質的表面清理；對于噴底漆工序，因塑料基材在注塑生產時殘留的空氣泡和有機氣體會使基材表面平整度不足，直接進行真空蒸發鍍效果不理想，噴涂一層光油底漆可增強鍍層與基材的結合性能，提高鍍層的附著力和表面平整度[，還可根據要求噴涂不同顏色的底漆；中漆調色工序可提高基材鍍層的硬度并調整色澤，如有符號照明要求可在此工序進行鐳雕或移印施工。在實際生產中，可根據產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鍍類似，可將真空蒸發鍍工序改為濺射鍍工序，另外，濺射鍍可根據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鍍一致。濺射鍍的鍍層厚度可通過調節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在汽車內飾中的應用情況

PVD可實現照明透光，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，提高了內飾設計的靈活性。近兩年，PVD在汽車內飾的應用上已成為潮流。

極氪001車型換代升級后[12]，包括隱藏式出風口在內的大多數裝飾件選用了PVD工藝，提升了整體內飾的質感和豪華感。領克08采用了玫瑰金色的PVD裝飾內飾[13]，更加凸顯運動、科技、性能的設計理念。

通用汽車環球科技運作有限責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域以實現LED光線的穿透，最后再覆蓋頂涂層起到保護作用。著色底漆可根據需求采用透光或不透光的材質，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顏色的進一步變化。

5 PVD的試驗驗證

對比水電鍍和PVD鍍膜技術的性能試驗，鍍膜技術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、鎳電化學勢檢測、微孔數檢測等性能試驗則與PVD不同，且不同的主機廠可能會根據產品特性和要求調整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到底層的現象，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次結果為準，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% ）的四層醫用紗布循環摩擦樣件表面，摩擦測試荷重為 500g ，測試速度為每秒循環摩擦一次，測試次數為150次，測試期間需保持紗布濕潤，每循環摩擦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境的性能。將樣件放置在試驗箱中，設置溫度為 （65±1 ）℃、相對濕度區間為 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、發黃、變形等現象，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境的性能。將樣件放置在試驗箱中，設置溫度為 （80±2）^°C ，并保溫 8h ，結束后取出，在室溫下放置 0.5h 后再次放入溫度箱，設置溫度為 （-40±2）^°C ，保溫 8h ，取出在室溫條件下放置 0.5h ，此為一個循環。連續6個循環后將樣件在室溫下放置2h后試驗結束，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、起皺等現象，樣件合格。

6結束語

結合當前汽車行業PVD技術的發展現狀，可從以下方面提升加強PVD技術的研發和應用：

a.PVD設備成本高，尤其是全自動化生產線，可根據不同產品和市場需求，開發高性價比的PVD設備；

b.PVD需要噴涂底漆以改善鍍層的附著力不足的問題，增加了生產成本，應加強對PVD鍍膜膜材和基材的研究，如成分組成、微觀結構等，以提升PVD鍍層附著力；

c.發展復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鍍層流平性以及產品的耐磨性。

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