三维形貌仪/台阶仪

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。

热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热，以一定的速 度喷射沉积到基体表面形成涂层的方法。 与其他沉积技术相比，热喷涂技术可以在高沉积速率 下覆盖大面积并且提供更厚的涂层。 热喷涂层广泛应用于航空航天、汽车、海洋、重型机 械等多个领域，主要性能包括耐磨性、低摩擦、耐腐 蚀、改变导热系数和电导率等。 测试问题 熔化的材料液滴喷涂到基体表面，产生大量“饼 状"片层，在表面形成高度不均匀的涂层。 片层的大小以及不同的孔隙程度常被用来表征热喷涂 层。使用热喷涂技术形成的涂层具有独特的微观结 构，呈现出不同于基体材料的特性。 不同类型的热喷涂工艺（火焰、电弧、等离子体、高 速氧燃料和爆炸喷涂）会产生的不同结构，增加了材 料问题的复杂性。 涂层的耐用性和功能性在很大程度上取决于涂层内聚 力强度和涂层与基体的结合力强度。因此，在实际工 件上形成涂层并研究沉积技术、喷涂参数（如速度） 和基体表面制备是非常必要的。 结论 划痕测试技术可以用来表征热喷涂层的内聚力和结合 力强度。通过试验就可以更深入地了解热喷涂层的强 度。 对涂层失效模式的研究和量化可以为研究人员改进涂 层生产工艺提供一些建议，如调整TS4的基体表面工 艺，TS1、TS2和TS3的喷涂技术参数等，来增加热涂 层的结合力和内聚力强度。 Retc Instruments致力于开发相关的测试手段来表征 热喷涂层。多功能摩擦试验机MFT5000也可对热喷涂 层进行摩擦磨损测试。划痕与摩擦学测试(磨损/摩擦 系数)结合的测试手段可以帮助研究人员对涂层及其 抗机械损伤能力有更完整的了解。 关键词 • 热喷涂层 • ISO 27307 • 结合力/内聚力评估 • 截面划痕测试 • 结合力 • 机械测试

导言 硬质涂层与基体材料成分不同，通常用于硬化基材、 防腐蚀、减磨和防止与血液接触的材料发生凝血现 象等。这些涂层可以是氮化物(氮化钛，TiN)，碳化 物(碳化钨，WC)或其他材料(类金刚石涂层，DLC)。 根据不同的应用，可选择不同的涂层制备工艺。 测试问题 考虑到硬质涂层的性能，需对其内聚力强度和与基体 的结合强度进行表征。例如，一旦涂层表面出现裂 纹，涂层的耐腐蚀性能就会明显下降。医疗器械对 耐磨涂层与植入物的结合强度要求特别高，需要保 证涂层 “碎片"不会发生剥离而进入血液，威胁患 者的健康。 因为结合力不是材料固有性质，而是涂层/基体材料 系统对外加应力的反馈，所以很难得到量化表征。 划痕试验通过在样品表面产生应力，使涂层出现裂 纹或从基体分离，来研究涂层的内聚力和结合力强 度，为研究人员和工程师提供了便利。 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1）。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。 结论 划痕测试技术是一种有价值的区分涂层特性的工具。 划痕试验中产生的应力为涂层内聚力强度和涂层与基 体结合力强度提供了有意义的信息。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 涂层/基体性能的手段。

划痕测试是高灵敏度的区分涂层内聚力和结合力强度 的技术。 如上所述，划痕试验中产生的应力为涂层内聚力强度 和涂层与基体之间结合力强度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 提供了先进的分析涂层/基体整体性能的手段。 SMT-5000配备高精度和高灵敏度的的二维传感器，可 以精确测量划痕头的法向力和摩擦力。

划痕测试技术用来模拟“特殊条件"下化学钢化玻 璃，如大猩猩®玻璃，所受的的磨损和破坏。划痕过 程中，应力造成的不同失效形式，可以提供玻璃强度 的信息，并可以对这些玻璃样品的生产工艺进行排 序。图像和信号结合是先进的分析玻璃失效行为的 方法。 本报告中提到的SMT-5000也可以研究玻璃样品的耐 磨特性。

手机屏幕保护膜与智能手机一样无处不在，通常由钢 化玻璃和聚合物衬底组成。每当寻找一款手机膜时， 总是会想：哪一种会更好呢？ 所有产品声称具有相同的硬度和耐磨性能，但是抗磨 损性能是否真的相似? 造成划痕或磨损的主要原因是金属物体，如钥匙，或 者灰尘，包括沙粒(石英)。这些物质对手机保护膜的 损害最大。 测试问题 手机屏幕保护膜（接下来简称为屏保）可以在有灰尘 的情况下被滑动多次，也可以与损坏或磨损手机屏幕 的物体一起存放。 屏保通常作为保护智能手机的“牺牲层”，其使用寿 命要求也较高。由于市面上的这些产品声称具有相似 的抗磨性，本报告旨在测试不同品牌的产品，以评估 其耐磨性能是否与声称的性能一致。 为了模拟屏保所受的损伤，本测试主要关注两个因 素：沙粒和钥匙。用半径从10到100微米的微凸体来 表示沙粒。本试验使用具有3个不同齿半径的钥匙， 并用共聚焦显微镜对齿进行测量。 测试方法 表面表征 第一步是选取合适半径划痕头来等效钥匙表面。通过 使用Rtec Instruments的三维轮廓仪对钥匙的3个不 同齿进行成像，并测量齿边缘的半径(图2)。 磨损测量： 为了模拟不同表面与屏保的接触，使用不同半径的金 刚石划痕头沿着样品表面反复划动，形成的磨痕符合 ASTM G133。恒定的法向力通过划痕头尖端施加到表 面，来模拟屏保表面所受的力。 可以在固定的时间间隔内对整个磨痕成像，得到磨损 量随时间变化的趋势。当观测到磨痕中出现材料剥落 时，试验终止。磨痕过程中可记录多个信号，帮助研 究人员分析材料失效的形式。 测试条件 使用三维轮廓仪共聚焦50X镜头对钥匙齿扫描成像， 进一步分析并决定划痕试验中使用的划痕头半径。 使用SMT-5000在三种不同的钢化玻璃屏保上进行简单 线性往复磨损试验，产生磨痕(图3)。使用两种不同 尺寸的金刚石划痕头分别来模拟沙粒(半径为20微米) 和钥匙(半径为100微米)。 通过划痕头尖端施加的法向载荷模拟真实工况下屏保 所受的力。 每300次循环试验后，对整个磨痕进行共焦成像。最 后，在1500次循环试验后，测量并比较不同样品的磨 损量。 测试结果  划痕头半径选择： 对钥匙三个齿进行成像，包括角度和半径。如图4所 示，在齿横截面的两个垂直方向上进行分析。 通过计算，钥匙齿平均半径值为102.7微米，因此可以 使用半径为100微米的金刚石划痕头进行测试。 磨损研究： 线性往复试验往往会经历三个磨损阶段。第一阶段是 经过前几百个循环测试后，在材料中形成凹槽。第二 个阶段是在磨痕或磨痕的末端出现赫兹裂纹。最后阶 段，裂纹延伸，材料产生剥离，完全失效。 结论 在报告中，SMT-5000对智能手机的钢化玻璃屏幕进行 抗划性能测试。SMT-5000也可以通过遵循ASTMG133或 其他相关标准，对钢化玻璃进行摩擦磨损测试，以进 一步分析和研究此类材料。 在不同时间间隔采集的图像提供了材料失效过程的信 息。通过共焦图像，可以计算体积和面积，简化了分 析过程。 尽管这三种不同的屏保声称具有相似的性能，划痕测 试可清晰分辨样品耐磨性能和抗断裂性能的差异。