物理气相沉积（PVD）装饰涂层技术详解
物理气相沉积（PVD）装饰涂层技术详解
物理气相沉积（PVD）是一种在工业应用中广泛使用的保护性涂层技术，近年来在时尚和奢侈品领域也备受关注。本文将详细介绍PVD技术的原理、不同类型、应用材料以及涂层测试方法，帮助读者全面了解这一前沿技术。
一、前言
物理气相沉积（PVD）是一种在工业应用中广泛使用的保护性涂层技术，近年来在时尚和奢侈品领域也备受关注。这是因为传统的电镀技术会产生有毒重金属等物质，随着环保意识的增强，欧盟已经开始对这类技术进行规范限制。因此，希望借助PVD技术逐步取代危险和有毒的电镀工艺。
然而，目前PVD涂层技术还无法完全取代电镀工艺，主要是因为被镀材料和成本问题。因此，现今常常将这两种技术结合使用，以提供更广泛的色彩和多样化的产品选择，使PVD成为装饰领域的关注重点。
PVD是一种真空技术，通过膜层设计将材料沉积到基材上，广泛应用于装饰、生物医学、刀具、半导体等产业。这些涂层的主要功能是增加硬度、耐磨性和耐腐蚀性，从而延长基材的使用寿命。镀膜只是整个流程中的一个步骤，整个流程还包括前处理清洁、加热、冷却等环节，每个环节都会影响涂层的整体质量。
二、PVD技术
PVD是一种真空技术，通过膜层设计将材料沉积到基材上，广泛应用于装饰、生物医学、刀具、半导体等产业。这些涂层的主要功能是增加硬度、耐磨性和耐腐蚀性，从而延长基材的使用寿命。镀膜只是整个流程中的一个步骤，整个流程还包括前处理清洁、加热、冷却等环节，每个环节都会影响涂层的整体质量。
蒸镀
阴极电弧是使用高电流、低电压电弧将靶材汽化，使材料沉积到基材上。在沉积前和沉积过程中，基材会受到高能离子的轰击，这可以增加涂层的密度，限制生长过程中的缺陷，使涂层各方面性能更好。
溅镀
溅镀技术有多种类型，常见的包括直流磁控溅镀、脉冲直流磁控溅镀、高功率脉冲磁控溅镀。脉冲直流磁控溅镀可以提高薄膜质量，减少电弧并提高靶材利用率。高功率脉冲磁控溅镀在极短时间内产生高密度等离子体，与传统的直流或脉冲相比，该技术已被证明可以产生具有更好附着力、致密度和更高品质的薄膜。
PVD+电镀
PVD可以在金属、塑料或陶瓷等多种材料上沉积，但在装饰领域，PVD涂层可能无法提供足够的耐腐蚀保护。因此，常将电镀和PVD涂层两种技术结合使用。PVD涂层通常具有高硬度、耐磨性和广泛的颜色选择等优点，但PVD涂层的延展性较低，在某些基材下可能导致涂层脱落。而电镀具有良好的延展性，适合软金属基材。因此，现今许多产品使用PVD和电镀结合，可以为装饰涂层提供独特的优势，并增强涂层的耐用性。
三、涂层材料
钛基涂层
装饰性钛基涂层因其生物相容性、颜色多样性和较低的成本效益，在业界得到了广泛应用。其中，TiN涂层最常见，通过氮气流量可以决定涂层的颜色，通常生产亮金色。也可以使用乙炔作为反应气体，镀制黑色涂层的DLC。此外，另一种应用于装饰的材料是加入氮气或氧气，通过改变涂层厚度可以镀制多种颜色效果，如图一所示。
图一：钛基涂层颜色
铬基涂层
铬基涂层具有高耐磨性、硬度和耐腐蚀性，因此在航天、汽车和医疗等多个行业得到了广泛应用。铬基涂层提供了多种颜色选择，从亮银色到灰色，这些颜色可以通过不同的沉积条件来控制。PVD铬基涂层可作为电镀铬的替代品，因为电镀铬溶液中含有六价铬，这是一种已知的人类致癌物，因此欧盟对其使用已施加严格限制。
锆基涂层
锆基涂层在装饰应用中最著名的是ZrN涂层，因其类似金色效果，与TiN相比可以提供更高的亮度金色。PVD锆基涂层可以提供从黄色到棕色的颜色选择，与钛基涂层效果类似，因此常有两者性能的比较。锆基涂层与钛基涂层相比具有更优异的耐腐蚀性能，因此受到市场青睐。
四、涂层测试
厚度测量
在装饰产业中，PVD涂层的厚度测定是最常见的分析项目。厚度会影响涂层的耐磨性、耐腐蚀性等性能，因此厚度的重要性尤为突出。常见的分析技术有球磨法，通过电机的旋转轴带动钢球摩擦表面，同时将钻石膏涂在接触区域，球体旋转会使涂层磨出凹坑，如图二所示。另一种方法是薄膜厚度轮廓测量，主要利用尖头探针扫描物体表面，通过表面轮廓可以得知样品的高低起伏，并显示相对高度图，再经计算可得知涂层厚度。
图二：球磨厚度测量计算
机械性质（附着力）
涂层的耐磨性和耐用性非常重要，因为这些特性会影响涂层的外观和使用寿命。装饰性PVD涂层需要通过硬度和附着力测试进行评估。硬度可以通过微小维氏硬度计测量，涂层附着力常使用百格试验。具体方法是在样品上划10刀，转90度后再以同样条件划10刀，然后使用胶带确实黏贴于百格上，并快速撕下胶带观察百格以及胶带的情况，以判定涂层附着力。最佳附着力为5B，如图三所示。
图三：百格测试规范
颜色测量
颜色测量是PVD装饰涂层中重要的测量项目之一。为了标准化和定量地定义并分类颜色，通常使用Lab值。其中，a值表示颜色从绿色(-a)到红色(+a*)之间的变化，L代表明度，从亮(L=100)到暗(L*=0)之间的变化，如图四所示。一般而言，色差ΔE≥3时人眼已经可以观察到两个产品之间的差异。
图四：CIELAB色彩空间
腐蚀测试
抗腐蚀性能主要决定装饰产品的使用寿命。为了满足客户生产的产品需求，通常会通过人工模拟环境试验并经过各种测试，模拟加速产品的使用环境。例如，浴室的潮湿条件对卫浴五金产品的影响。在装饰业中常用的腐蚀测试包括盐雾测试，可分为中性盐雾试验、醋酸盐雾试验和铜加速醋酸盐雾试验。使用盐雾试验会对物体的保护层造成损害，使其失去装饰性和保护性，因此通过试验时间可以大致换算实际在自然暴露环境中的天数，作为测试参考依据。
参考文献
[1] ŁĘPICKA, Magdalena; GRĄDZKA-DAHLKE, Małgorzata. The initial evaluation of performance of hard anti-wear coatings deposited on metallic substrates: thickness, mechanical properties and adhesion measurements–a brief review. Reviews on Advanced Materials Science, 2019, 58.1: 50-65.
[2] VOROBYOVA, Mariya, et al. PVD for Decorative Applications: A Review. Materials, 2023, 16.14: 4919.
[3] https://www.saidaglass.com/
[4] https://www.linshangtech.com/tech/lab-color-model-color-meter-tech1432.html