汽车涂料划痕试验分析应用报告

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