★ 北京广利核系统工程有限公司 席彦琴，刘永亮，史英斌

关键词：核电仪控；金属涂覆；塑胶金属化；真空电镀；电磁屏蔽；结构设计

1   引言

在电子设备的制造和装配过程中，材料的选择和涂层技术的应用至关重要，这是因为它们直接影响着产品的性能、可靠性和外观^[1]。

随着小型化、轻量化成为工业功能模块的重要设计目标，传统金属材料因密度大、成本高及复杂构造成型能力有限，难以满足对轻便性及外观形态有特定要求的应用场景。相比之下，塑胶材料重量轻、成本低，且可通过注塑工艺高效制备复杂结构件，因而广泛应用于批量生产的功能模块组件。然而，塑胶本身不具备导电性，难以直接用于需要电流传导或电磁屏蔽的场合，这可能影响电子设备的电磁兼容性及正常工作性能。

为解决上述问题，本文基于核电仪控系统电磁屏蔽应用需求，对塑胶零件金属化封装结构及工艺开展设计研究。通过真空电镀技术在塑胶壳体内表面构建金属导电层，有效实现塑胶材料的导电功能改性。该金属化层可实现塑胶壳体与周边金属构件、印制电路板间的可靠电气连接，从而形成连续导电通路，改善整体设备的抗静电与电磁屏蔽性能，保障电子设备在复杂电磁环境中的正常运行与安全稳定运行。该工艺在满足电磁功能性要求的同时，兼具轻量化、低成本和复杂形状适应性的优势，有助于提升产品综合竞争力。

本文以核电仪控电子设备的开发为背景，阐述了通过真空电镀实现塑胶零件金属化的结构设计与工艺实验，分析了其电气性能实现机制与关键工艺参数，并介绍了该技术在核电站数字仪控系统设备中的具体应用场景，为提升真空电镀塑胶件的质量和可靠性提供理论和实践指导。

2   塑胶零件金属化设计需求

本文所述真空电镀塑胶零件所属产品为核电站应用环境的电子设备，即系统中的主处理器模块。使用中，主处理器模块安装到对应配套的底座设备上，通过底座接口与外部实现通信。设备需满足如下和结构相关的需求：

（1）产品要求：尺寸小型化、重量轻量化、外观简约美观不单调。

（2）电磁兼容性（EMC）要求：辐射发射满足IEC 61000-6-4指标参数 ^[2] ；辐射抗扰度满足IEC 61000-4-3的指标参数^[3]。

（3）接地要求：各功能模块需要有良好的接地方式，保护地、屏蔽地、逻辑地的接地电阻要＜1Ω。

（4）抗震要求：系统运行时需要满足抗震I类的要求^[4，5]。

产品整体示意图如图1所示，图中标注前面板零件为外观正视面零件。

产品中，各结构件合理选材是一个需要综合考虑的过程。本文产品中，前面板零件作为外观正视零件，涉及复杂的工业造型设计，同时为达成轻量化目标，选用高强度聚碳酸酯（PC）材质， PC材料既能满足造型需求又能满足轻量化需求，同时其优异的抗冲击性能也能满足设备在核电环境下的抗震强度要求。除前面板外，其余结构件均选用金属铝材。

经初步摸底实验验证，对于该产品， PC材质的前面板无法满足产品的电磁屏蔽效能（SE）技术要求：增加电磁干扰后， 产品复位会有重启。因此，在保留轻量化和造型优势的基础上，需要对PC材质的前面板零件进行金属化的处理，为其赋予有效的电磁屏蔽性能，以满足产品要求。

图1 产品整体示意图

3   塑胶表面金属化和塑胶真空电镀技术

塑胶表面金属化是一种关键的表面功能化改性技术，塑料表面金属化将改善塑料的表面性质，使其兼具塑料和金属两者的特有功能[6]。

在电子制造中，电子产品对塑胶零部件进行金属化导电处理的目的主要基于以下功能性需求：

（1）赋予导电性：克服本征绝缘塑胶无法传导电流的局限，形成导电通路，以满足电路互连与信号传输的基本要求。

（2）提升电磁屏蔽效能：金属化层构成法拉第笼，能有效导泄静电荷，同时屏蔽外部电磁干扰，确保设备运行的稳定性与可靠性。

（3）优化信号传输完整性：为高频信号提供低阻抗传输路径，减少信号衰减与反射，保障通信质量。

（4）适应复杂结构设计与轻量化需求：利用塑胶易成型的特点，可制备复杂三维结构件，金属化工艺能良好地覆盖其表面。此举能在不牺牲塑胶性能的前提下，实现比全金属构件更低的重量与成本，提升产品综合竞争力。

因此，对电子设备中的塑胶零件实施金属化，是赋予其导电、抗静电及电磁屏蔽等功能，同时满足轻量化与低成本制造需求的关键技术途径。

真空电镀是一种重要的金属涂层制备工艺，其基本原理是将金属源材料在真空条件下沉积到基材表面。在塑料基底上真空电镀金属薄膜，即在真空状态下，将该工艺可在塑胶基材表面形成均匀、致密的金属薄膜。该技术具有以下显著优势：

（1）优异的镀层性能：所得金属镀层结合力好，可提供优异的导电性、反射性及耐腐蚀性。

（2）广泛的材料适应性：可适用于ABS、PC、 PP、PA、PMMA等多种工程塑料。

（3）环保与经济性：真空电镀符合环保要求，同时在复杂件生产上具备成本效益。

综上所述，真空电镀是一种适用于塑胶表面金属化的高效、环保型功能性镀覆技术，是实现塑胶金属化的主流技术之一，并且适用于PC材质，因此真空电镀被本文产品选定为塑胶金属化的实现工艺。

4   真空电镀塑胶零件结构与工艺设计方案

实施真空电镀的零件为图1产品整体示意图中的前面板零件。为避免塑胶注塑过程中壁厚急剧变化，防止缩水、气孔、应力集中，同时有利于真空电镀工艺的实施，前面板零件采用均匀壁厚2mm，消除所有锐角和尖角。

4.1   真空电镀工艺设计关键点

4.1.1   内镀外喷的实现方式

前面板零件外表面有喷漆的外观要求，如果外表面电镀后喷漆，金属镀层将严重影响漆膜的附着力，导致外观不良漆膜易脱落。为解决此问题，本研究采用了内外表面差异化处理的方案：前面板零件外表面保持为塑胶基材，直接进行喷漆处理；内表面进行真空电镀，电镀镀层金属为铝，采用UV（紫外光固化）底漆，选用银色哑光效果，为避免镀层在不必要区域影响内部结构装配，内表面局部特定区域根据需要遮蔽不进行真空电镀。

内镀外喷的选择性真空电镀工艺，为高外观要求、高功能性能的塑胶件金属化提供了一种高效、可靠的解决方案。该方案既确保了漆膜与PC基材间的最佳附着力，保障了最终产品的外观质量和耐久性，又为产品提供了可靠的电磁屏蔽效能。

4.1.2   真空电镀镀层

真空电镀所获得的金属膜层很薄， 一般为0 . 01 μm。镀层过薄可能导致附着力不足， 镀层过厚可能导致内应力增加，影响附着力。本文前面板零件经样品验证，推荐真空电镀镀层厚度：0.01～8 μm。

4.1.3   真空电镀工艺温度

塑料表面真空镀膜过程中，任何工艺参数的改变都会导致膜层的成分、结构和性能的变化[8]。需要确定最佳工艺条件。

真空电镀中，其温度控制是关键参数之一，具体温度取决于材料和工艺需求。

本文中真空电镀前面板有卡钩结构，真空电镀有让卡钩增加脆性的一个倾向，为了避免这个问题，电镀时的烘烤工艺温度整体采用低温处理，烘烤温度为：低温30℃,电镀过程中流水线为持续转动状态，通过工艺手段使产品过UV时能量均匀释放到产品表面。

4.2   真空电镀后产品的搭接设计

电磁屏蔽是利用屏蔽体阻止或减少电磁能量传输的一种措施，是抑制辐射干扰的有效方法，同时电磁屏蔽设计也是电子设备结构设计的重要组成部分[9]。

电子设备的电磁屏蔽设计，各零件的搭接设计是其重要措施之一。搭接指在两个金属物体之间建立一条低阻抗连接通路的工艺措施[10]。良好的搭接可以保证电子设备自身以及电子设备与地系统之间良好的电连续性。多件组合产品必须搭接良好，形成封闭腔体，这要求电子设备各结构零件搭接表面是导电或者经过导电处理的。

本文中塑胶前面板零件经过真空电镀金属化后，其内表面具备导电性，和其他金属零件可以形成搭接回路，解决了采用塑胶材质零件的导电搭接通路及电磁屏蔽的问题。

产品内部搭接通路示意图如图2所示：底座零件、散热零件为金属铝材零件， PCB通过覆铜区和金属材质底座零件实现搭接导通；金属材质的散热零件通过搭接面与底座零件实现连接并导通；内表面通过真空电镀金属化的前面板零件，通过搭接贴合面和散热零件实现搭接导通，从而整个产品形成一个金属化封闭腔体。

图2 产品内部搭接通路示意图

系统使用中，主处理器模块产品通过螺钉安装到对应配套的主控底座设备上，底座产品通过导轨或者背板螺钉安装的方式固定到所安装的机柜上。主处理器模块中，产品外部搭接通路示意图如图3所示：模块产品通过金属材质的底壳零件与底座产品金属底板上的铆接螺母柱搭接导通，底座产品的金属底板和机柜的金属安装背板导通，从而形成产品所属系统的整体搭接导通闭合回路。

图3 产品外部搭接通路示意图

5   真空电镀塑胶零件实验验证

5.1   真空电镀后产品实验验证

使用真空电镀前面板零件的设备模块，比较真空电镀之前的产品，在抗扰度试验中，增加电磁干扰后，模块不再有重启，满足核电产品技术要求，真空电镀前后试验结果比较如表1所示。

表1 真空电镀前后试验结果比较

射骚扰（RE）等系列相关试验验证， 以及核电相关的耐干冷（-40℃)、耐干热（70℃)、恒定湿热（温度40℃、相对湿度95%、持续时间48小时）等温湿度相关系列试验，均通过了试验验证，满足执行标准要求。

5.2   附着力

塑胶真空电镀的附着力是一项重要指标，附着力的好坏直接影响到镀层的耐久性、美观性和功能性。如果附着力不足，镀层可能无法形成连续的导电路径，导致屏蔽效果下降，镀层脱落可能导致设备性能不稳定或故障，影响产品的可靠性和使用寿命。

本文中附着力测试参照标准《GB/T 9286-1998/ ISO 2409:1992 色漆和清漆 漆膜的划格试验》，采用划格法（Cross-Cut Test），使用划格刀在镀层表面划出网格，然后用胶带粘住并撕开，观察镀层脱落的情况。要求电镀表面不能出现镀层脱落的现象，不能有麻点、起皮、起泡等电镀缺陷，经实验，真空电镀塑胶件附着力性能满足抗脱能力 1级的要求。

5.3   盐雾实验

盐雾腐蚀是一种常见和最有破坏性的大气腐蚀[11]。盐雾实验用于评估材料或产品的抗腐蚀能力。本文中盐雾测试参照标准《GB/T 2423.17-2024》，真空电镀塑胶零件盐雾性能要求满足盐雾时间：12小时，判断合格标准：露底材面积不超过5%。

真空电镀零件进行12小时盐雾试验，盐雾实验前后样件对比图如图4所示。图中左一为实验前样件， 右一、二、三为实验后样件，实验后样件有细微的脱落露底， 呈现为细小黑点状， 其面积占比小于0.1%，满足盐雾要求。

图4 盐雾实验前后样件对比图

目前，该产品设备已经应用于核电站非安全级通用DCS平台系统中， 多个设备已经批量应用于多处核电站现场系统，使用稳定可靠。此结构设计既适用于核电系统平台，也适用于非核领域，应用场景较广。

6   结论

在现代电子设备的设计中，电磁屏蔽设计扮演着至关重要的角色。它不仅关乎设备的性能和可靠性，更体现在电磁屏蔽设计在现代电子设备中的不可或缺性。尤其是在技术日益复杂的今天，良好的屏蔽设计不仅是技术要求，更是产品质量和用户体验的重要保障。

本文提出的塑胶前面板零件采用内表面真空电镀的方案，既满足了产品的小型化、轻量化、复杂外观造型要求，又解决了核电标准下的产品的电磁屏蔽问题，产品成本较低，提高了产品的综合竞争力。内镀外喷的选择性真空电镀工艺，为高外观要求、高功能性能的塑胶件金属化提供了一种高效、可靠的解决方案。并且通过试验验证以及多个核电现场的实地应用，确保了产品的可靠性、可行性，同时也适用非核电领域，应用范围较广。

作者简介：

席彦琴（1973-） ，女，河北人，工程师，硕士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事产品结构设计方面的研究。

参考文献：

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industrial environments[S]. 日内瓦: 国际电工委员会, 2018.

[3] 国际电工委员会. IEC 61000-4-3:2010 Electromagnetic compatibility (EMC)—Part 4-3: Testing and measurement techniques—

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[9] 丁小玲. 电子设备结构件设计中的电磁屏蔽技术[J]. 山西电子技术, 2008 (1) : 88 - 89.

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摘自《自动化博览》2026年8月刊