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真空鍍膜（PVD 技術(shù)）
日期：2025-08-03 04:37
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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。可見(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TiC、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、車削刀具（如車刀、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。可見(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TiC、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：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、車削刀具（如車刀、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)
