解析论文PVD前处理工艺材料现状及未来发展趋势

论文

PVD前处理的工艺材料现状及发展趋势

段 国 发

摘要

物理气相沉积是种前沿的表层加工方法，在航天航空、汽车工业、电子芯片及医疗器件等产业得到普遍采用。此项工作全面考察了PVD工艺预备阶段材料的应用现状与未来走向。

调查发现，初始加工水准直接影响PVD涂层的质量，清洗物料、表面处理物料以及配套工艺物料共同组成了初始加工物料系统的关键部分。伴随工业生产朝着高级化、生态化路径前进，PVD初始加工物料正展现出环保型、智慧型、卓越性能型和复合功能型的演进方向。

不过，业内依然遭遇着技术难题、经济负担和绿色规范施加的难题。将来，若能深化产业界、学术界及研究机构的联合，促进资料更新换代，并且改良制作流程，PVD前处理技术将能为达成卓越的表层处理工程奠定更加稳固的根基。

关键词

PVD预先处理过程，涉及工艺所用物料，进行表面加工，使用靶材作为来源，注重环境友好，体现未来方向，完成表面最终修饰。

1 引言

物理气相沉积，简称PVD，是国际上普遍采用的一种先进表面加工方法，其运作方式是在真空环境中，借助物理手段，让材料从固态源头移动到工件表面，从而构成一层薄膜

PVD技术能够形成结合牢固的镀层，具有优异的衍射性能，适用范围涵盖多种材料种类，同时对自然环境不会造成负面影响，完全契合当前可持续生产制造的进步方向。

目前，PVD技术在刀片、模具、部件、连接件等众多物件上普遍应用，显著增强了物件的使用年限，并且提升了制造效能。

PVD技术本身广受瞩目，然而前处理工艺这一决定PVD涂层品质的核心步骤，却常常被忽略。前处理工艺的水平，直接关系到PVD涂层能否牢固附着、保持致密以及具备多长的使用期限。

工业领域里，百分之七十的PVD涂层损坏现象，源于预处理环节没做好，致使基材表面沾染脏物或产生瑕疵。

高端制造业对涂层性能的要求日益严苛，PVD前处理工艺材料的研究与创新，已经成为表面工程领域的一项关键任务。

本文意在全面梳理PVD前处理材料当前的状况，研究其发展动向，为后续研究提供借鉴。深入分析前处理材料的种类、性能、实际应用及存在的问题，为推动PVD技术的持续进步提供理论支持和实践方向。

2 PVD前处理工艺概述

物理气相沉积的准备工作，是在实施该技术前，针对物件表层开展的一系列加工步骤，目的是让物件表面处在最适宜镀覆的状况。整个镀前准备流程，包含去油除污、表面修整和激发处理这三大关键步骤，各个步骤都有其专门的作用和操作规范。

清洁除油是PVD工艺准备阶段的关键步骤，主要作用是完全清除工件表面的油脂、尘埃以及氧化膜等杂质。任何微量的残留污染物都会严重削弱PVD涂层的结合性能，造成产品过早损坏。常见的清洁技术有液体浸泡法、碱液处理法和高频震动清洗法等，具体采用哪种技术需要根据工件材质特点和污染物种类来决定。

表面精整工艺利用物理或化学手段改善工件表层的不平整度和形状特征，以便形成适合进行等离子体沉积的表面状态。理想的表面粗糙度（一般设定在Ra 0.1-0.4微米范围内）可以扩展表面积，创造更多结晶起始点，进而提升薄膜与基底的结合强度；但如果粗糙度过高，可能会引发尖端效应，导致涂层分布不均，甚至造成局部应力过度集中。

表面活化是借助物理或化学手段消除材料表层天然屏障，以提升其化学反应能力的方法。典型操作方式有粒子束轰击、酸碱溶液作用以及电离气体作用等。此类处理能提升材料外层的结构不完整性及反应活性中心数量，有助于后续原子吸附与移动，进而增强覆盖层的均匀程度和结合强度。

3 前处理工艺材料的分类与特性

3.1 清洗材料

PVD工艺的前道准备工作需要用到基础材料，这类材料依据化学构成和功能原理，能够划分为有机溶液、碱性清洁液以及绿色水基清洁液这三种类型。丙酮、乙醇、异丙醇等有机溶液具备很强的融解能力、迅速气化的性质和容易恢复的特性，可以用来清除油渍和杂质，不过它们也存在易燃易爆、有毒有害等风险因素。碱性清洁物料是氢氧化钠、碳酸钠、硅酸钠等碱性物质组合而成，借助皂化作用清除油渍，价格经济但带有相当腐蚀力，必须严格管控其使用浓度和操作温度。

新型环保清洗剂是近些年出现的一种先进清洁用品，它包含表面活性物质、辅助清洁成分和抗腐蚀添加剂等成分。这种清洁产品具备安全无害、不会造成腐蚀以及用途广泛等好处，可以适用于各种不同的基面和多种污染状况，已经成为PVD工艺预处理清洁领域的主要发展趋势。

3.2 表面精整材料

表面精整材料主要用来改善基体表面的粗糙程度和几何形态，按照其作用机理可以分成研磨材料、抛光材料以及喷砂材料等种类。常用的研磨材料有碳化硅（SiC）、氧化铝（Al₂O₃）和金刚石，这些材料的颗粒大小、硬度值和形状都会直接关系到表面精整的成效和品质。

挑选表层处理材料时，要权衡主体材料的韧性、期望的平滑程度和经济性等要素。针对高硬度材料如钢铁和硬质合金，通常使用碳化硅或金刚石作为研磨成分；对于不锈钢和钛合金这类材料，则更适合选用氧化铝磨料；而在处理铝合金、镁合金等韧性较好的基体时，一般采用玻璃珠进行喷丸工艺，以此防止过度磨损和表面破坏。

3.3 其他辅助材料

在PVD工艺的预处理阶段，除了清洁物料和表面整平物料，还会用到多种辅助物料，例如刻蚀试剂、活化因子和处理载体等。刻蚀试剂主要作用是去除工件表面的氧化膜和钝化层，常见的有酸性刻蚀剂（比如盐酸、硫酸）和碱性刻蚀剂（例如氢氧化钠溶液）。

活化剂能够提升基体外表面的化学性质，有助于膜层与基体的结合。通常使用的活化剂有钛、铬等金属制成的活化液，以及氩气、氮气等气体形成的等离子体活化类型。这些物质可以在不破坏基体的基础上，增加表面的反应点和缺陷数量，从而增强沉积原子的附着效果，改善成膜性能。

加工媒介是PVD工艺前处理环节所应用的各种材料，涵盖水性、半水性及溶剂性等类别。鉴于环保标准日趋严格，水性处理媒介凭借其VOC释放量少、无毒性无危害且易于处置等优势，正逐步淘汰掉传统的溶剂性媒介，转而成为PVD前处理的代表性方案。

4 前处理工艺材料应用现状

4.1 航空航天领域

PVD涂层在航空和航天工业中应用很广，常用于发动机叶片、涡轮盘以及传动系统等核心部件，目的是增强它们的抗磨损能力、耐腐蚀特性和抗疲劳水平。这些部件多由钛合金、高温合金及复合材料等加工难度大的材料制成，因此对PVD处理前的准备工作标准要求非常高。

航空航宇行业PVD工艺的准备工作以标准苛刻、物料丰富和品质一致性高为主要特征。譬如，动力装置扇叶在施加隔热膜层时，必须完成细致的清洁作业、磨料喷射加工以及离子激活等系列准备步骤，目的在于保障膜层的附着效能与持久性能。通常采用的材料有金刚石磨料、氧化铝抛光液以及氩气等活性气体，它们可以满足航空及航天行业对高精度表面的严格标准。

4.2 汽车制造领域

PVD技术在汽车工业中的应用最为普遍。根据相关数据，2018年国内汽车制造总量为2800万辆，大约有百分之四十的新车通过应用PVD涂层来增强抗磨损能力和提升视觉效果。发动机相关组件、动力传输部件以及装饰性配件等都需要接受PVD工艺加工，而这些部件的预处理步骤对最终产品的综合表现和整体品质具有决定性作用。

汽车制造领域PVD工艺的显著特征在于其规模化作业,对成本管理要求很高,并且需要处理多种不同的基材。对于不同的基材（比如钢材、铝合金、塑料等）,必须使用不同的预处理流程和材料。比如,钢制零件大多使用碳化硅磨料实施喷砂工艺,铝制零件则选用玻璃珠喷砂或化学打磨,而塑料材料则要先进行活化处理,以便提升表面导电性能和结合强度。

4.3 电子半导体领域

电子半导体行业是PVD工艺施展功能的另一个核心范畴，对预处理环节的标准非常严格。半导体装置里的金属连接部分、隔绝层次和接触层次等，都要借助PVD手法来制作，这些膜层的厚度一般处在纳米范围，对承载基材的平滑状况、洁净程度以及化学属性都设定了非常高的规范。

半导体PVD的预处理工作要求达到纳米级别的精细程度，并且需要保持极高水平的洁净状态，同时工艺操作必须精准无误。进行这种预处理所用的材料，必须符合半导体制造领域的特殊标准，比如必须具备极高的纯净度，同时金属离子的含量要非常低，颗粒污染程度也要尽可能小。实际操作中经常使用的预处理材料有电子级别的化学品、纯度很高的磨料以及超纯度的水，这些材料能够保证基材表面满足半导体沉积时对原子层面的洁净度和平整度的严格要求。

4.4 医疗器械领域

PVD技术在医疗器械行业展现出迅猛的发展势头，其中骨科植入物、手术工具以及诊断装置是它的重点突破方向。这种涂层工艺可以显著增强医疗器械的耐磨损程度，同时提升其抗腐蚀能力，并且改善生物组织相容特性。这些改进有助于医疗器械维持更长的有效使用周期，并确保更高的工作稳定性。

医疗器械在PVD处理前的准备工作，首要注重其与生物体的和谐程度，同时涉及多种材质的相互结合，并且必须能够承受消毒过程。通常用于此阶段的有医用级别的清洁剂，高纯度的打磨物质，以及等离子体激活的气体。这些物质不仅须达到表面加工的技术指标，还必须满足医疗器械的生物学相容性和安全规范，例如ISO 13485和USP Class VI的规定。

5 发展趋势与挑战

5.1 智能化发展

工业4.0和智能制造正在不断深入，PVD前处理材料也相应地向着自动化和智能化的方向演变。借助人工智能算法和机器学习手段，可以实时监测并调整前处理工艺的多个参数，例如温度、浓度、时长以及机械作用力等，从而大幅提升处理结果的均一性和可靠性。

智能技术的应用还表现在前期加工物料的确切分发和自我调节上。借助构建工艺指标与物料特性间的数学关系式，达成物料精确投放和自动补足，既能提升物料使用效能，降低资源损耗，又可削弱人工操作对加工成果的干扰，增强制造效能和成品均一性。

5.2 环保化发展

环保化是PVD前处理工艺材料发展的一个显著方向。由于环保法规持续收紧，加上公众环保意识的增强，有毒有害的化学品正逐步被环境友好的材料所替代。比如，水基清洗剂正逐渐取代有机溶剂清洗剂，不含磷和氮的环保化学品也在慢慢取代传统的磷化及钝化材料。

环保化进步还表现在前期加工环节的节能减耗和物料循环使用上。借助改进工艺条件，减少加工时温度和时长，研究物料再生办法和废弃物回收途径，可以大幅度降低PVD预处理环节的能源消耗和垃圾产生，达成环境友好型生产和永续发展目标。

5.3 高性能化发展

高端制造业持续进步，PVD涂层品质标准日益严苛，因此前处理材料标准也随之提升。前处理材料性能的显著提升表现在多个层面：首先，材料纯净度的持续进步，例如半导体级前处理材料的需求持续增加；其次，材料性能的显著增强，例如具备多种功能的复合清洗剂、能够智能响应的抛光材料等；再者，材料应用范围的显著拓宽，可以满足多种基材和复杂形状的前处理要求。

高水准化进程还表现在前道工序材料的专业化与个性化层面。依据不同领域、不同制品和不同基材的特殊状况，研制专用前道工序材料，可以更周全地符合特定用途的技术标准，增强PVD涂层的综合表现和制品品质。

5.4 新材料研发与应用

新材料的探索和使用是促进PVD前处理技术进步的核心要素。现阶段，纳米材料、智能材料以及生物材料等前沿前处理材料的研究与运用持续拓展。比如，纳米磨料有助于达成原子层面的表面平滑；自组装单分子层材料有助于精确控制表面能量；生物酶基清洗剂有助于完成温和且高效的表面清洁。这些新材质的运用，不仅有助于提升PVD前处理的成效与品质，亦可达成传统材料难以完成的新性能。比如，借助形状记忆抛光材质，可达成自适应的表面整平；借助pH值感应型清洗剂，可达成清洗作用的自动调节；借助生物可降解型处置媒介，可显著减小对环境的不良作用。

5.5 技术挑战与瓶颈

PVD前处理工艺材料已经获得了很大突破，不过依然存在不少技术难题和前进的阻碍。

现阶段，技术难题依然是限制高端产品发展的关键点。比如在芯片制造行业，当元件的微小化持续进行时，对材料基底平整程度和纯净状况的期待几乎达到了理论顶点，老式的准备材料与工艺方式已经无法应对这种高标准。

其次，费用开销也是影响PVD前处理技术进步的关键点。优质前处理材料的研究开发需要大量资金，制造环节的成本也很高，因此产品售价居高不下，阻碍了其普遍应用。如何兼顾功能表现与经济性，是前处理材料研究方面必须解决的核心问题。

当前环境相关法律规范持续强化，给前期处理用料的进步制造了障碍。部分常规的高效前期处理用料由于环境方面的顾虑，已经遭遇了使用上的限制或者被明令禁止，而具备环保特点的替代用料，在功能表现和费用支出上，常常无法与常规用料相提并论。研制出兼具效能与环保的新型前期处理用料，是行业必须应对的关键课题。

6 结论

本文全面探讨了PVD预处理所用材料的当前状况及未来走向。研究发现，预处理步骤对PVD涂层特性与品质起着关键作用，而预处理材料则是决定预处理成效的核心要素。清洗剂、表面处理剂和配套材料共同组成了PVD预处理材料体系的关键部分，这些材料的性能直接关系到基材表面的洁净程度、粗糙状态以及化学特性。

PVD前处理材料的发展趋势，正体现出智慧化、绿色化、卓越性能化以及多样化特征。在智能层面，借助人工智能方法与机器学习手段，达成工艺要素的改进以及物料的高效传送，环保层面，水性清洁剂、不含磷的化学品等生态型物料逐步替代了常规的有毒物质，高性能层面，电子级超纯物质、特殊规格材料等持续满足尖端领域的需要，多功能层面，纳米级物质、自适应材料等创新性预处理材料持续扩大使用范围。

不过，PVD的前道工序材料依旧遭遇着技术难题、经济负担以及环境规范等多重难题。往后，需要强化产业界、学术界和科研机构的协作，以促进材料的革新和工艺的改进；要研制出兼具效能与绿色环保特性的新式前道工序材料；同时兼顾功能与费用的协调，助长PVD技术的普及和不断进步。

随着工业制造的革新和表面处理方法的提升，PVD前处理材料将不断展现其关键作用，为打造优质表面工程奠定更稳固的根基。凭借持续的创新和改进，PVD前处理工艺将为航空航海、车辆制造、电子芯片和医疗器具等行业的进步提供更强有力的支持。