汽车涂料中划痕试验分析检测方案(纳米压痕仪)

APPLICATION NOTE SMT-5000 APPLICATION NOTE SMT-5000 Rtec_ instruments ooooo *0 ..ooo.o ooo8qq 88... 9aoR 汽车涂料划痕试验分析 导言 根据2017年JD Power公司对美国汽车市场质量的初步研究发现50%或更多消费者的投诉与汽车划痕、瑕疵以及芯片缺陷相关。 汽车涂料的改进可以使汽车外观保持更长久，减少汽车保险申报，并保持二手车的价值。 因此，汽车清漆抗划性能的提升已成为汽车行业的重点研究问题。 测试问题 事实上，汽车涂料是多层材料的组合，具有美观和保护功能。汽车的底漆必须保护零件不受腐蚀和其他损伤，而面漆必须美观、持久并保持光泽。面漆通常由色漆和清漆组成，色漆提供颜色和视觉效果，清漆保持光泽并保护部件不受环境和外力的损伤。 用户对清漆性能改善(保护汽车在使用寿命期间不受机械损伤)的需求仍在增加。到目前为止， OEM厂商仍用简单的测试方法，如 Crockmeter和Amtek-Kistler方法来评估清漆抵抗划痕和其他机械应力的能力。随着清漆质量的提高，这些偏差较大、容易受主观影响的测试方法无法对材料进行精确的表征。 划痕试验能模拟现实生活中汽车清漆所受的的机械损伤，并清晰区分清漆性能的细微差别。 汽车清漆所受损伤主要有以下几种类型： ▶洗车刷会在表面造成小而尖锐的划痕，称为瑕疵划痕。 ·指甲和树枝会在表面造成较大和更深的划痕，称为微观划痕。 钥匙和购物车会在表面造成更大和更深的划痕(有时观察到清漆完全剥离)，称为宏观划痕。 因此，研究人员主要测试清漆抵抗瑕疵划痕，微观划痕和宏观划痕的能力。 SMT-5000提供可更换的划痕头，， 可在一个平台上实现从纳米到宏观划痕的高精度测量。 Force (N)) APPLICATION NOTE SMT-5000 不同大小的划痕头和法向载荷用来模拟汽车清漆不同类型的损伤，可以帮助研究人员更好地分析清漆的抗划能力。 测试方法 在涂层待测区域上方，通过拖动已知形状的金刚石划痕头来产生划痕(图2)。当划痕头沿样品表面移动时，施加在尖端上的法向载荷线性增加，导致接触应力增加，使接触条件更加恶劣。 图2：划痕测试原理 在测试之后，整个划痕的三维形貌可以用来分析变形和失效模式。 涂层失效时对应的法向力称为临界载荷。通过使用图像或图像与信号(例如声发射)的组合来得到临界载荷。在划痕测试过程，可以记录多个信号，从而使研究人员将关注的材料性能与传感器信号关联起来。 测试条件 SMT-5000在黑色漆板上进行划痕测试。 Mar range Micro range Macro range Damage simulated Car wash， buffing... Nails， keys， tree branches... Shopping cart， belt buckle， coat zipper... Load application profile Linear increasing Linear increasing Linear increasing Scratch Length 2 mm 2 mm 2 mm Initial load ON 0.1N 0.1N Final load 0.5 N 8N 20N Scratch speed 4 mm/min 4 mm/min 4 mm/min Stylus Rockwell 2 um radius Rockwell 50 um radius Rockwell 200 um radius 图6：微观划痕测试的共聚焦和明场图像 宏观划痕测试 图4：测试样品 测试结果 使用200um的金刚石划痕头和大载荷，来模拟钥匙或购物车对车漆造成的损伤。在这些划痕中，，可以观察到在内聚力失效之后，清漆很快发生剥离，色漆层的受损程度增加，如图7所示。 在试验过程中，清漆至少产生两种类型的失效：：首先是内聚力发生失效，然后是清漆材料发生断裂或剥离。 三种主要的试验如下： 瑕疵划痕测试 使用半径为2um的金刚石划痕头和小载荷(<1N)模拟洗车中刷子对车漆的损害。在这种情况下，只能观察到内聚力失效，如图5所示。 图7：宏观划痕测试的共聚焦和明场图像 图5：瑕疵划痕测试的共聚焦和明场图像 宏观划痕三维图像失效点所对应的临界载荷、深度和摩擦系数如图8所示。 微观划痕测试 使用50um的金刚石划痕头和10-20N的法向载荷，来模拟树枝或指甲对清漆造成的损伤。在这种情况下，可观察到内聚力失效和清漆剥离失效，如图6所示。 o .8 .. 0 od . . *ii 00 0口 30 . 7.. .. .. ： .80 . .. .. o .. o oo 0o .鸣 图8：宏观划痕测试失效点的的深度、法向载荷和摩擦系数(垂直线) Lc1： 清漆出现裂纹(内聚力失效) 图9：宏观划痕测试第一种失效模式(Lc1) Lc2：清漆层出现剥离 图10：宏观划痕测试第二种失效模式(Lc2) Lc3：清漆完全剥离并损伤色漆 图11：宏观划痕测试第三种失效模式-清漆完全剥离并损伤色漆(Lc3) 通过摩擦系数的变化，可以观察到汽车清漆的前两次失效模式(Lc1和Lc2)。使用共聚焦图像可以确认并定位Lc1失效点和材料剥离点(Lc2和Lc3)。 通过对两个样品的测试，来比较两种不同清漆的抗划性能。样品的每种损伤模式对应的临界载荷和划痕残余深度如表2和图12所示。 Sample Lc1 CD1 Lc2 CD2 Lc3 CD3 2 [N] [um] [N] [um] [N] [um] Mar 0.28 2.48 Micro 1.84 25.02 3.53 33.80 Macro 2.45 16.35 7.67 33.02 15.75 61.56 表2：2个样品的3种损伤模式的临界载荷和深度 性能最好的清漆样品应该具有高临界载荷和低残余划痕深度。 两个样品在不同损伤模式下的临界载荷和划痕深度信息如图12所示。X轴代表临界载荷，Y轴表示划痕残余深度。样品的趋势线越倾向于右下角(高临界载荷和低残余划痕深度)，表示样品性能越强。 09 8 .. 0 . *ii OO 白0 30 10 . .. ..taw .. ： Q o .. .8..0 . .. .. 33 o 11 0 口 三维成像信息与传感器信号结合可以帮助研究人员理解和分析涂层/基体材料系统的性能。 图12：两个样品在不同损伤模式下的Lc1临界载荷和划痕深度信息 如图12所示，虽然样品2抵抗瑕疵划痕的能力比样品1更强，但是抵抗微观划痕和宏观划痕的能力较弱。 通过比较清漆在不同损伤类型上体现的性能，可以帮助研究人员提高产品的性能，包括增加弹性(降低划痕残余深度)，增强材料抗裂纹能力(提高临界载荷Lc1)等。 结论 划痕测试提供了一种全新的更准确的用来检测并改进清漆性能的手段。划痕测试技术可以模拟清漆在实际应用中所受的损伤。通过使用SMT-5000，更换不同大小的划痕头和法向载荷，研究人员和OEM厂商可以清晰区分不同清漆的性能。 划痕试验中产生的应力为评估清漆自身强度和抵抗剥离的能力提供了有价值的信息。三维图像(共聚焦和亮场图像)与传感器信号的结合是最先进的分析车漆抵抗不同损伤模式能力的方法。 设备： 材料表面性能综合测试平台：SMT-5000 如需更多资料，请联系我们 Rtec-Instruments 025-52356048 info@rtec-instruments.cn www.rtec-instruments.com.cn 白 Pcod .oBcoo .8 0 . 9. o0 .0 00 30 9 . .. ： .8 .℃. c . 0 .. o 0 .. o 0 oo 0o .鸣 0 0 0 0 0 Q SMT-age-/ .....SMT-age-/ 导言 根据2017年JD Power公司对美国汽车市场质量的初步 研究发现50%或更多消费者的投诉与汽车划痕、瑕疵 以及芯片缺陷相关。 汽车涂料的改进可以使汽车外观保持更长久，减少汽 车保险申报，并保持二手车的价值。 因此，汽车清漆抗划性能的提升已成为汽车行业的重 点研究问题。 测试问题 事实上，汽车涂料是多层材料的组合，具有美观和保 护功能。汽车的底漆必须保护零件不受腐蚀和其他损 伤，而面漆必须美观、持久并保持光泽。面漆通常由 色漆和清漆组成，色漆提供颜色和视觉效果，清漆保 持光泽并保护部件不受环境和外力的损伤。 用户对清漆性能改善（保护汽车在使用寿命期间不受 机械损伤）的需求仍在增加。到目前为止，OEM厂商 仍用简单的测试方法，如 Crockmeter和Amtek-Kistler 方法来评估清漆抵抗划痕和其他机械应力的能力。随 着清漆质量的提高，这些偏差较大、容易受主观影响 的测试方法无法对材料进行精确的表征。 划痕试验能模拟现实生活中汽车清漆所受的的机械损 伤，并清晰区分清漆性能的细微差别。 汽车清漆所受损伤主要有以下几种类型：  • 洗车刷会在表面造成小而尖锐的划痕，称为瑕疵 划痕。 • 指甲和树枝会在表面造成较大和更深的划痕，称 为微观划痕。 • 钥匙和购物车会在表面造成更大和更深的划痕 （有时观察到清漆完全剥离），称为宏观划痕。因此，研究人员主要测试清漆抵抗瑕疵划痕，微观划 痕和宏观划痕的能力。  SMT-5000提供可更换的划痕头，可在一个平台上实现 从纳米到宏观划痕的高精度测量。不同大小的划痕头和法向载荷用来模拟汽车清漆不同 类型的损伤，可以帮助研究人员更好地分析清漆的抗 划能力。 测试方法 在涂层待测区域上方，通过拖动已知形状的金刚石划 痕头来产生划痕（图2）。当划痕头沿样品表面移动 时，施加在顶端上的法向载荷线性增加，导致接触应 力增加，使接触条件更加恶劣。 在测试之后，整个划痕的三维形貌可以用来分析变形 和失效模式。 涂层失效时对应的法向力称为临界载荷。通过使用图 像或图像与信号（例如声发射）的组合来得到临界载 荷。在划痕测试过程，可以记录多个信号，从而使研 究人员将关注的材料性能与传感器信号关联起来。测试条件 SMT-5000在黑色漆板上进行划痕测试。  用三个不同大小的划痕头来模拟汽车清漆所受的损伤 类型。试验参数汇总见表1。测试结果 在试验过程中，清漆至少产生两种类型的失效：首先 是内聚力发生失效，然后是清漆材料发生断裂或剥 离。 三种主要的试验如下： 瑕疵划痕测试 使用半径为2um的金刚石划痕头和小载荷(<1N)模拟洗 车中刷子对车漆的损害。在这种情况下，只能观察到 内聚力失效，如图5所示 微观划痕测试 使用50um的金刚石划痕头和10-20N的法向载荷，来模 拟树枝或指甲对清漆造成的损伤。在这种情况下，可 观察到内聚力失效和清漆剥离失效，如图6所示。宏观划痕测试宏观划痕三维图像失效点所对应的临界载荷、深度和 摩擦系数如图8所示。 Lc1: 清漆出现裂纹（内聚力失效）Lc2: 清漆层出现剥离Lc3: 清漆完全剥离并损伤色漆 通过摩擦系数的变化，可以观察到汽车清漆的前两次 失效模式（Lc1和Lc2）。使用共聚焦图像可以确认并 定位Lc1失效点和材料剥离点(Lc2和Lc3)。 通过对两个样品的测试，来比较两种不同清漆的抗划 性能。样品的每种损伤模式对应的临界载荷和划痕残 余深度如表2和图12所示。 性能好的清漆样品应该具有高临界载荷和低残余划 痕深度。 两个样品在不同损伤模式下的临界载荷和划痕深度信 息如图12所示。X轴代表临界载荷，Y轴表示划痕残余 深度。样品的趋势线越倾向于右下角（高临界载荷和 低残余划痕深度），表示样品性能越强。三维成像信息与传感器信号结合可以帮助研究人员理 解和分析涂层/基体材料系统的性能。如图12所示，虽然样品2抵抗瑕疵划痕的能力比样品1 更强，但是抵抗微观划痕和宏观划痕的能力较弱。 通过比较清漆在不同损伤类型上体现的性能，可以帮 助研究人员提高产品的性能，包括增加弹性（降低划 痕残余深度），增强材料抗裂纹能力（提高临界载荷 Lc1）等。 结论 划痕测试提供了一种全新的更准确的用来检测并改进 清漆性能的手段。划痕测试技术可以模拟清漆在实际 应用中所受的损伤。通过使用SMT-5000，更换不同大 小的划痕头和法向载荷，研究人员和OEM厂商可以清 晰区分不同清漆的性能。划痕试验中产生的应力为评估清漆自身强度和抵抗剥 离的能力提供了有价值的信息。三维图像（共聚焦和 亮场图像）与传感器信号的结合是先进的分析车漆 抵抗不同损伤模式能力的方法。 设备： 材料表面性能综合测试平台:SMT-5000