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真空鍍膜(PVD 技術(shù))
日期:2025-04-29 01:20
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摘要:1. 真空涂層技術(shù)的發(fā)展
真空涂層技術(shù)起步時(shí)間不長(zhǎng),國(guó)際上在上世紀(jì)六十年代才出現(xiàn)將 CVD(化學(xué)氣相沉積)技術(shù)應(yīng)用于硬質(zhì)合金刀具上。由于該技術(shù)需在高溫下進(jìn)行(工藝溫度高于 1000oC),涂層種類(lèi)單一,局限性很大,起初并未得到推廣。到了上世紀(jì)七十年代末,開(kāi)始出現(xiàn) PVD(物理/氣相沉積)技術(shù),之后在短短的二、三十年間 PVD 涂層技術(shù)得到迅猛發(fā)展,究其原因:
(1)其在真空密封的腔體內(nèi)成膜,幾乎無(wú)任何環(huán)境污染問(wèn)題,有利于環(huán)保;
(2)其能得到光亮、華貴的表面,在顏色上,成熟的有七彩色、銀色、透明色...
1. 真空涂層技術(shù)的發(fā)展
真空涂層技術(shù)起步時(shí)間不長(zhǎng),國(guó)際上在上世紀(jì)六十年代才出現(xiàn)將 CVD(化學(xué)氣相沉積)技術(shù)應(yīng)用于硬質(zhì)合金刀具上。由于該技術(shù)需在高溫下進(jìn)行(工藝溫度高于 1000oC),涂層種類(lèi)單一,局限性很大,起初并未得到推廣。到了上世紀(jì)七十年代末,開(kāi)始出現(xiàn) PVD(物理/氣相沉積)技術(shù),之后在短短的二、三十年間 PVD 涂層技術(shù)得到迅猛發(fā)展,究其原因:
(1)其在真空密封的腔體內(nèi)成膜,幾乎無(wú)任何環(huán)境污染問(wèn)題,有利于環(huán)保;
(2)其能得到光亮、華貴的表面,在顏色上,成熟的有七彩色、銀色、透明色、金黃色、黑色、以及由金黃色到黑色之間的任何一種顏色,能夠滿足裝飾性的各種需要;
(3)可以輕松得到其他方法難以獲得的高硬度、高耐磨性的陶瓷涂層、復(fù)合涂層,應(yīng)用在工裝、模具上面,可以使壽命成倍提高,較好地實(shí)現(xiàn)了低成本、高收益的效果;
(4)此外,PVD 涂層技術(shù)具有低溫、高能兩個(gè)特點(diǎn),幾乎可以在任何基材上成膜,因此,應(yīng)用范圍十分廣闊,其發(fā)展神速也就不足為奇。
真空涂層技術(shù)發(fā)展到了今天還出現(xiàn)了 PCVD(物理化學(xué)氣相沉積)、MT-CVD(中溫化學(xué)氣相沉積)等新技術(shù),各種涂層設(shè)備、各種涂層工藝層出不窮。目前較為成熟的 PVD 方法主要有多弧鍍與磁控濺射鍍兩種方式。多弧鍍?cè)O(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易操作。多弧鍍的不足之處是,在用傳統(tǒng)的 DC 電源做低溫涂層條件下,當(dāng)涂層厚度達(dá)到 0.3 um 時(shí),沉積率與反射率接近,成膜變得非常困難。而且,薄膜表面開(kāi)始變朦。多弧鍍另一個(gè)不足之處是,由于金屬是熔后蒸發(fā),因此沉積顆粒較大,致密度低,耐磨性比磁控濺射法成膜差??梢?jiàn),多弧鍍膜與磁控濺射法鍍膜各有優(yōu)劣,為了盡可能地發(fā)揮它們各自的優(yōu)越性,實(shí)現(xiàn)互補(bǔ),將多弧技術(shù)與磁控技術(shù)合而為一的涂層機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。在工藝上出現(xiàn)了多弧鍍打底,然后利用磁控濺射法增厚涂層,*后再利用多弧鍍達(dá)到*終穩(wěn)定的表面涂層顏色的新方法。
2. 技術(shù)原理
PVD (Physical Vapor Deposition) 即物理/氣相沉積,分為:真空蒸發(fā)鍍膜、真空濺射鍍膜和真空離子鍍膜。我們通常所說(shuō)的 PVD 鍍膜,指的就是真空離子鍍膜和真空濺射鍍;通常說(shuō)的 NCVM 鍍膜,就是指真空蒸發(fā)鍍膜。
真空蒸鍍基本原理:在真空條件下,使金屬、金屬合金等蒸發(fā),然后沉積在基體表面上,蒸發(fā)的方法常用電阻加熱,電子束轟擊鍍料,使蒸發(fā)成氣相,然后沉積在基體表面,歷史上,真空蒸鍍是 PVD 法中使用*早的技術(shù)。
濺射鍍膜基本原理:充氬(Ar)氣的真空條件下,使氬氣進(jìn)行輝光放電,這時(shí)氬(Ar)原子電離成氬離子(Ar),氬離子在電場(chǎng)力的作用下,加速轟擊以鍍料制作的陰極靶材,靶材會(huì)被濺射出來(lái)而沉積到工件表面。濺射鍍膜中的入射離子,一般采用輝光放電獲得,在 l0 -2 Pa~10Pa 范圍,所以濺射出來(lái)的粒子在飛向基體過(guò)程中,易和真空室中的氣體分子發(fā)生碰撞,使運(yùn)動(dòng)方向隨機(jī),沉積的膜易于均勻。
離子鍍基本原理:在真空條件下,采用某種等離子體電離技術(shù),使鍍料原子部分電離成離子,同時(shí)產(chǎn)生許多高能量的中性原子,在被鍍基體上加負(fù)偏壓。這樣在深度負(fù)偏壓的作用下,離子沉積于基體表面形成薄膜。

2. 鍍料的氣化:即通入交流電后,使鍍料蒸發(fā)氣化。
3. 鍍料離子的遷移:由氣化源供出原子、分子或離子經(jīng)過(guò)碰撞以及高壓電場(chǎng)后,高速?zèng)_向工件;
4. 鍍料原子、分子或離子在基體上沉積:工件表面上的蒸發(fā)料離子超過(guò)濺失離子的數(shù)量時(shí),則逐漸堆積形成一層牢固粘附于工件表面的鍍層。
離子鍍時(shí),蒸發(fā)料粒子電離后具有三千到五千電子伏特的動(dòng)能,高速轟擊工件時(shí),不但沉積速度快,而且能夠穿透工件表面,形成一種注入基體很深的擴(kuò)散層,離子鍍的界面擴(kuò)散深度可達(dá)四至五微米,也就是說(shuō)比普通真空鍍膜的擴(kuò)散深度要深幾十倍,甚至上百倍,因而彼此粘附得特別牢。
(1)PVD膜層能直接鍍?cè)诓讳P鋼以及硬質(zhì)合金上,對(duì)比較軟的鋅合金、銅、鐵等壓鑄件應(yīng)先進(jìn)行化學(xué)電鍍鉻,然后才適合鍍 PVD,但是水鍍后做 PVD 容易起泡,不佳率較高;
(2)典型的PVD涂層加工溫度在 250 ℃ ~ 450 ℃之間;
(3)涂層種類(lèi)和厚度決定工藝時(shí)間,一般工藝時(shí)間為3~6小時(shí);
(4)PVD鍍膜膜層的厚度為微米級(jí),厚度較薄,一般為0.3μm~5μm,其中裝飾鍍膜膜層的厚度一般為0.3μm~1μm,因此可以在幾乎不影響工件原來(lái)尺寸的情況下提高工件表面的各種物理性能和化學(xué)性能,并能夠維持工件尺寸基本不變,鍍后不須再加工;
(5)PVD技術(shù)不僅提高了鍍膜與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度,涂層成分也由**代的TiN發(fā)展為T(mén)iC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx、DLC和ta-C等多元復(fù)合涂層,形成不同的顏色的表面效果。
(6)目前能夠做出的膜層的顏色有深金黃色,淺金黃色,咖啡色,古銅色,灰色,黑色,灰黑色,七彩色等。通過(guò)控制鍍膜過(guò)程中的相關(guān)參數(shù),可以控制鍍出的顏色;鍍膜結(jié)束后可以用相關(guān)的儀器對(duì)顏色值進(jìn)行測(cè)量,使顏色得以量化,以確定所鍍出的顏色是否滿足要求。
2.技術(shù)優(yōu)點(diǎn)
(1)鍍層附著性能好
普通真空鍍膜時(shí),在工件表面與鍍層之間幾乎沒(méi)有連接的過(guò)渡層,好似截然分開(kāi)。而離子鍍時(shí),離子高速轟擊工件時(shí),能夠穿透工件表面,形成一種注入基體很深的擴(kuò)散層,離子鍍的界面擴(kuò)散深度可達(dá)四至五微米,對(duì)離子鍍后的試件作拉伸試驗(yàn)表明,一直拉到快要斷裂時(shí),鍍層仍隨基體金屬一起塑性延伸,無(wú)起皮或剝落現(xiàn)象發(fā)生,可見(jiàn)附著多么牢固,膜層均勻,致密。
(2)繞鍍能力強(qiáng)
離子鍍時(shí),蒸發(fā)料粒子是以帶電離子的形式在電場(chǎng)中沿著電力線方向運(yùn)動(dòng),因而凡是有電場(chǎng)存在的部位,均能獲得良好鍍層,這比普通真空鍍膜只能在直射方向上獲得鍍層優(yōu)越得多。因此,這種方法非常適合于鍍復(fù)零件上的內(nèi)孔、凹槽和窄縫。等其他方法難鍍的部位。用普通真空鍍膜只能鍍直射表面,蒸發(fā)料粒子尤如攀登云梯一樣,只能順梯而上;而離子鍍則能均勻地繞鍍到零件的背面和內(nèi)孔中,帶電離子則好比坐上了直升飛機(jī),能夠沿著規(guī)定的航線飛抵其活動(dòng)半徑范圍內(nèi)的任何地方。
(3)鍍層質(zhì)量好
離子鍍的鍍層組織致密、無(wú)針孔、無(wú)氣泡、厚度均勻。甚至棱面和凹槽都可均勻鍍復(fù),不致形成金屬瘤。象螺紋一類(lèi)的零件也能鍍復(fù),有高硬度、高耐磨性(低摩擦系數(shù))、很好的耐腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn),膜層的壽命更長(zhǎng);同時(shí)膜層能夠大幅度提高工件的外觀裝飾性能。
(4)清洗過(guò)程簡(jiǎn)化
現(xiàn)有鍍膜工藝,多數(shù)均要求事先對(duì)工件進(jìn)行嚴(yán)格清洗,既復(fù)雜又費(fèi)事。然而,離子鍍工藝自身就有一種離子轟擊清洗作用,并且這一作用還一直延續(xù)于整個(gè)鍍膜過(guò)程。清洗效果極好,能使鍍層直接貼近基體,有效地增強(qiáng)了附著力,簡(jiǎn)化了大量的鍍前清洗工作。
(5)可鍍材料廣泛
離子鍍由于是利用高能離子轟擊工件表面,使大量的電能在工件表面轉(zhuǎn)換成熱能,從而促進(jìn)了表層組織的擴(kuò)散作用和化學(xué)反應(yīng)。然而,整個(gè)工件,特別是工件心部并未受到高溫的影響。因此這種鍍膜工藝的應(yīng)用范圍較廣,受到的局限性則較小。通常,各種金屬、合金以及某些合成材料、絕緣材料、熱敏材料和高熔點(diǎn)材料等均可鍍復(fù)。即可在金屬工件上鍍非金屬或金屬,也可在非金屬上鍍金屬或非金屬,甚至可鍍塑料、橡膠、石英、陶瓷等。
1.裝飾鍍
裝飾鍍的目的:主要是為了改善工件的外觀裝飾性能和色澤,同時(shí)使工件更耐磨耐腐蝕延長(zhǎng)其使用壽命;這方面主要應(yīng)用五金行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域,如門(mén)窗五金、鎖具、衛(wèi)浴五金等行業(yè)。

2.工具鍍
工具鍍的目的:主要是為了提高工件的表面硬度和耐磨性,降低表面的摩擦系數(shù),提高工件的使用壽命;這方面主要應(yīng)用在各種刀剪、車(chē)削刀具(如車(chē)刀、刨刀、銑刀、鉆頭等等)等產(chǎn)品中。
真空涂層技術(shù)起步時(shí)間不長(zhǎng),國(guó)際上在上世紀(jì)六十年代才出現(xiàn)將 CVD(化學(xué)氣相沉積)技術(shù)應(yīng)用于硬質(zhì)合金刀具上。由于該技術(shù)需在高溫下進(jìn)行(工藝溫度高于 1000oC),涂層種類(lèi)單一,局限性很大,起初并未得到推廣。到了上世紀(jì)七十年代末,開(kāi)始出現(xiàn) PVD(物理/氣相沉積)技術(shù),之后在短短的二、三十年間 PVD 涂層技術(shù)得到迅猛發(fā)展,究其原因:
(1)其在真空密封的腔體內(nèi)成膜,幾乎無(wú)任何環(huán)境污染問(wèn)題,有利于環(huán)保;
(2)其能得到光亮、華貴的表面,在顏色上,成熟的有七彩色、銀色、透明色、金黃色、黑色、以及由金黃色到黑色之間的任何一種顏色,能夠滿足裝飾性的各種需要;
(3)可以輕松得到其他方法難以獲得的高硬度、高耐磨性的陶瓷涂層、復(fù)合涂層,應(yīng)用在工裝、模具上面,可以使壽命成倍提高,較好地實(shí)現(xiàn)了低成本、高收益的效果;
(4)此外,PVD 涂層技術(shù)具有低溫、高能兩個(gè)特點(diǎn),幾乎可以在任何基材上成膜,因此,應(yīng)用范圍十分廣闊,其發(fā)展神速也就不足為奇。
真空涂層技術(shù)發(fā)展到了今天還出現(xiàn)了 PCVD(物理化學(xué)氣相沉積)、MT-CVD(中溫化學(xué)氣相沉積)等新技術(shù),各種涂層設(shè)備、各種涂層工藝層出不窮。目前較為成熟的 PVD 方法主要有多弧鍍與磁控濺射鍍兩種方式。多弧鍍?cè)O(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易操作。多弧鍍的不足之處是,在用傳統(tǒng)的 DC 電源做低溫涂層條件下,當(dāng)涂層厚度達(dá)到 0.3 um 時(shí),沉積率與反射率接近,成膜變得非常困難。而且,薄膜表面開(kāi)始變朦。多弧鍍另一個(gè)不足之處是,由于金屬是熔后蒸發(fā),因此沉積顆粒較大,致密度低,耐磨性比磁控濺射法成膜差??梢?jiàn),多弧鍍膜與磁控濺射法鍍膜各有優(yōu)劣,為了盡可能地發(fā)揮它們各自的優(yōu)越性,實(shí)現(xiàn)互補(bǔ),將多弧技術(shù)與磁控技術(shù)合而為一的涂層機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。在工藝上出現(xiàn)了多弧鍍打底,然后利用磁控濺射法增厚涂層,*后再利用多弧鍍達(dá)到*終穩(wěn)定的表面涂層顏色的新方法。
2. 技術(shù)原理
PVD (Physical Vapor Deposition) 即物理/氣相沉積,分為:真空蒸發(fā)鍍膜、真空濺射鍍膜和真空離子鍍膜。我們通常所說(shuō)的 PVD 鍍膜,指的就是真空離子鍍膜和真空濺射鍍;通常說(shuō)的 NCVM 鍍膜,就是指真空蒸發(fā)鍍膜。
真空蒸鍍基本原理:在真空條件下,使金屬、金屬合金等蒸發(fā),然后沉積在基體表面上,蒸發(fā)的方法常用電阻加熱,電子束轟擊鍍料,使蒸發(fā)成氣相,然后沉積在基體表面,歷史上,真空蒸鍍是 PVD 法中使用*早的技術(shù)。
濺射鍍膜基本原理:充氬(Ar)氣的真空條件下,使氬氣進(jìn)行輝光放電,這時(shí)氬(Ar)原子電離成氬離子(Ar),氬離子在電場(chǎng)力的作用下,加速轟擊以鍍料制作的陰極靶材,靶材會(huì)被濺射出來(lái)而沉積到工件表面。濺射鍍膜中的入射離子,一般采用輝光放電獲得,在 l0 -2 Pa~10Pa 范圍,所以濺射出來(lái)的粒子在飛向基體過(guò)程中,易和真空室中的氣體分子發(fā)生碰撞,使運(yùn)動(dòng)方向隨機(jī),沉積的膜易于均勻。
離子鍍基本原理:在真空條件下,采用某種等離子體電離技術(shù),使鍍料原子部分電離成離子,同時(shí)產(chǎn)生許多高能量的中性原子,在被鍍基體上加負(fù)偏壓。這樣在深度負(fù)偏壓的作用下,離子沉積于基體表面形成薄膜。

PVD技術(shù)的工藝步驟
1. 清洗工件:接通直流電源,氬氣進(jìn)行輝光放電為氬離子,氬離子轟擊工件表面,工件表層粒子和臟物被轟濺拋出;2. 鍍料的氣化:即通入交流電后,使鍍料蒸發(fā)氣化。
3. 鍍料離子的遷移:由氣化源供出原子、分子或離子經(jīng)過(guò)碰撞以及高壓電場(chǎng)后,高速?zèng)_向工件;
4. 鍍料原子、分子或離子在基體上沉積:工件表面上的蒸發(fā)料離子超過(guò)濺失離子的數(shù)量時(shí),則逐漸堆積形成一層牢固粘附于工件表面的鍍層。
離子鍍時(shí),蒸發(fā)料粒子電離后具有三千到五千電子伏特的動(dòng)能,高速轟擊工件時(shí),不但沉積速度快,而且能夠穿透工件表面,形成一種注入基體很深的擴(kuò)散層,離子鍍的界面擴(kuò)散深度可達(dá)四至五微米,也就是說(shuō)比普通真空鍍膜的擴(kuò)散深度要深幾十倍,甚至上百倍,因而彼此粘附得特別牢。
產(chǎn)品性能優(yōu)勢(shì)
1.技術(shù)特點(diǎn)(1)PVD膜層能直接鍍?cè)诓讳P鋼以及硬質(zhì)合金上,對(duì)比較軟的鋅合金、銅、鐵等壓鑄件應(yīng)先進(jìn)行化學(xué)電鍍鉻,然后才適合鍍 PVD,但是水鍍后做 PVD 容易起泡,不佳率較高;
(2)典型的PVD涂層加工溫度在 250 ℃ ~ 450 ℃之間;
(3)涂層種類(lèi)和厚度決定工藝時(shí)間,一般工藝時(shí)間為3~6小時(shí);
(4)PVD鍍膜膜層的厚度為微米級(jí),厚度較薄,一般為0.3μm~5μm,其中裝飾鍍膜膜層的厚度一般為0.3μm~1μm,因此可以在幾乎不影響工件原來(lái)尺寸的情況下提高工件表面的各種物理性能和化學(xué)性能,并能夠維持工件尺寸基本不變,鍍后不須再加工;
(5)PVD技術(shù)不僅提高了鍍膜與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度,涂層成分也由**代的TiN發(fā)展為T(mén)iC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx、DLC和ta-C等多元復(fù)合涂層,形成不同的顏色的表面效果。
(6)目前能夠做出的膜層的顏色有深金黃色,淺金黃色,咖啡色,古銅色,灰色,黑色,灰黑色,七彩色等。通過(guò)控制鍍膜過(guò)程中的相關(guān)參數(shù),可以控制鍍出的顏色;鍍膜結(jié)束后可以用相關(guān)的儀器對(duì)顏色值進(jìn)行測(cè)量,使顏色得以量化,以確定所鍍出的顏色是否滿足要求。
2.技術(shù)優(yōu)點(diǎn)
(1)鍍層附著性能好
普通真空鍍膜時(shí),在工件表面與鍍層之間幾乎沒(méi)有連接的過(guò)渡層,好似截然分開(kāi)。而離子鍍時(shí),離子高速轟擊工件時(shí),能夠穿透工件表面,形成一種注入基體很深的擴(kuò)散層,離子鍍的界面擴(kuò)散深度可達(dá)四至五微米,對(duì)離子鍍后的試件作拉伸試驗(yàn)表明,一直拉到快要斷裂時(shí),鍍層仍隨基體金屬一起塑性延伸,無(wú)起皮或剝落現(xiàn)象發(fā)生,可見(jiàn)附著多么牢固,膜層均勻,致密。
(2)繞鍍能力強(qiáng)
離子鍍時(shí),蒸發(fā)料粒子是以帶電離子的形式在電場(chǎng)中沿著電力線方向運(yùn)動(dòng),因而凡是有電場(chǎng)存在的部位,均能獲得良好鍍層,這比普通真空鍍膜只能在直射方向上獲得鍍層優(yōu)越得多。因此,這種方法非常適合于鍍復(fù)零件上的內(nèi)孔、凹槽和窄縫。等其他方法難鍍的部位。用普通真空鍍膜只能鍍直射表面,蒸發(fā)料粒子尤如攀登云梯一樣,只能順梯而上;而離子鍍則能均勻地繞鍍到零件的背面和內(nèi)孔中,帶電離子則好比坐上了直升飛機(jī),能夠沿著規(guī)定的航線飛抵其活動(dòng)半徑范圍內(nèi)的任何地方。
(3)鍍層質(zhì)量好
離子鍍的鍍層組織致密、無(wú)針孔、無(wú)氣泡、厚度均勻。甚至棱面和凹槽都可均勻鍍復(fù),不致形成金屬瘤。象螺紋一類(lèi)的零件也能鍍復(fù),有高硬度、高耐磨性(低摩擦系數(shù))、很好的耐腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn),膜層的壽命更長(zhǎng);同時(shí)膜層能夠大幅度提高工件的外觀裝飾性能。
(4)清洗過(guò)程簡(jiǎn)化
現(xiàn)有鍍膜工藝,多數(shù)均要求事先對(duì)工件進(jìn)行嚴(yán)格清洗,既復(fù)雜又費(fèi)事。然而,離子鍍工藝自身就有一種離子轟擊清洗作用,并且這一作用還一直延續(xù)于整個(gè)鍍膜過(guò)程。清洗效果極好,能使鍍層直接貼近基體,有效地增強(qiáng)了附著力,簡(jiǎn)化了大量的鍍前清洗工作。
(5)可鍍材料廣泛
離子鍍由于是利用高能離子轟擊工件表面,使大量的電能在工件表面轉(zhuǎn)換成熱能,從而促進(jìn)了表層組織的擴(kuò)散作用和化學(xué)反應(yīng)。然而,整個(gè)工件,特別是工件心部并未受到高溫的影響。因此這種鍍膜工藝的應(yīng)用范圍較廣,受到的局限性則較小。通常,各種金屬、合金以及某些合成材料、絕緣材料、熱敏材料和高熔點(diǎn)材料等均可鍍復(fù)。即可在金屬工件上鍍非金屬或金屬,也可在非金屬上鍍金屬或非金屬,甚至可鍍塑料、橡膠、石英、陶瓷等。
市場(chǎng)前景及應(yīng)用
PVD 鍍膜技術(shù)的應(yīng)用主要分為兩大類(lèi):裝飾鍍和工具鍍。1.裝飾鍍
裝飾鍍的目的:主要是為了改善工件的外觀裝飾性能和色澤,同時(shí)使工件更耐磨耐腐蝕延長(zhǎng)其使用壽命;這方面主要應(yīng)用五金行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域,如門(mén)窗五金、鎖具、衛(wèi)浴五金等行業(yè)。

2.工具鍍
工具鍍的目的:主要是為了提高工件的表面硬度和耐磨性,降低表面的摩擦系數(shù),提高工件的使用壽命;這方面主要應(yīng)用在各種刀剪、車(chē)削刀具(如車(chē)刀、刨刀、銑刀、鉆頭等等)等產(chǎn)品中。
文章來(lái)源:真空技術(shù)與設(shè)備網(wǎng)