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化學鋼化玻璃的抗劃性能應用報告
導言 自2008年康寧®大猩猩®玻璃問世以來，一直被用作智 能手機屏幕。 2020年Victus®版本的大猩猩®玻璃的發(fā)布顯示出，這 類材料的開發(fā)仍需持續(xù)不斷的努力。 研發(fā)具有抗劃和抗沖擊性能并可以保護智能手機的鋼 化玻璃是非常重要的。這類玻璃需具備足夠的表面強 度、控制缺陷和抗劃傷能力。 除消費類電子產(chǎn)品外，化學鋼化玻璃還應用于工業(yè)、 汽車、航空、建筑和制藥等領(lǐng)域。
測試問題 智能手機要求玻璃屏幕能被重復觸滑，并且與其他尖 銳物品如鑰匙一起存放。 玻璃制造商致力于研究更堅固、更耐劃傷的材料來供 智能手機制造商使用。高品質(zhì)的化學鋼化玻璃需要能 夠抵抗來自表面接觸物或顆粒的劃傷。 使用玻璃等脆性材料的挑戰(zhàn)在于，必須增加彈性的同 時降低脆性，才能實現(xiàn)其應用中所需的功能。劃痕測 試是測量這類產(chǎn)品抗劃性能的最好選擇，可以帶來更 多的信息，從而可以幫助研究人員和質(zhì)量控制工程師 改進和控制玻璃產(chǎn)品的質(zhì)量。
測試原理 在涂層待測區(qū)域上方，通過拖動已知形狀的金剛石劃 痕頭來產(chǎn)生劃痕。當劃痕頭沿樣品表面移動時，施加 在頂端上的法向載荷線性增加，導致接觸應力增加， 使接觸條件更加惡劣。
在測試之后，對整個劃痕進行三維形貌掃描，來分析 變形和失效模式。
涂層失效時對應的法向力稱為臨界載荷。通過使用圖 像或圖像與信號（例如聲發(fā)射）結(jié)合來測量臨界載 荷。 在劃痕測試過程，可以記錄多個信號，從而使研究人 員將關(guān)注的材料性能與傳感器信號關(guān)聯(lián)起來。
測試條件 使用SMT-5000對三種不同的化學鋼化玻璃進行劃痕測 試。 本測試報告是模擬沙子或堅硬物體對玻璃屏幕造成的 損傷。惡劣的情況可能是直徑為20微米的石英粒對 表面的破壞。因此選擇半徑為20微米的金剛石劃痕頭 來進行實驗。 測試參數(shù)匯總見表1。
測試結(jié)果 在所有測試中，隨著法向載荷的增加，玻璃表面至少 產(chǎn)生一種類型的失效，如劃痕任意一側(cè)產(chǎn)生了裂紋。 其中兩個樣品在出現(xiàn)上述失效模式之后，又產(chǎn)生了另 一種失效形式-材料*剝落并*失效。當法向載 荷增加到2N時，樣品A的磨痕深度和摩擦系數(shù)如圖4所 示。 在這種情況下，玻璃產(chǎn)生了兩種類型的失效：
• Lc1：劃痕兩側(cè)出現(xiàn)裂紋
• Lc2：玻璃剝離并*失效
可以在明場圖像上清楚地觀察到所有樣品的第一種失 效模式(Lc1)，如圖7所示。在劃痕測試后，采集到的 信息記錄了整個劃痕的高度和明場強度。這些完整的 數(shù)據(jù)包含了玻璃樣品失效模式Lc1和Lc2相關(guān)的信息。
材料表面性能綜合測試平臺SMT-5000，帶有自動 三維形貌技術(shù)，提供了共聚焦和明場成像能力。 1 ASTM C 1624-05 “Standard test method for adhesion strength and mechanical failure modes of ceramic coatings by quantitative single point scratch testing." 2 ISO 20502 “Determination of adhesion of ceramic coatings by scratch testing." 3 Erosion and Sediment Control Management System. Lake Macquarie, Australia: 9 September 1999
玻璃樣品臨界載荷總結(jié)如圖8所示。
如圖所示，玻璃A和玻璃B產(chǎn)生了對應Lc2的材料剝離 失效模式，但是玻璃C沒有產(chǎn)生此類失效，所以性能 *。所有玻璃樣品在劃痕兩側(cè)產(chǎn)生了對應Lc1的裂 紋失效模式，但是玻璃B的臨界載荷高于玻璃A，所以 玻璃B性能比玻璃A強。因此，這三種化學鋼化玻璃性 能從低到高排序依次為：A<B<C。
結(jié)論 劃痕測試技術(shù)用來模擬“特殊條件"下化學鋼化玻 璃，如大猩猩®玻璃，所受的的磨損和破壞。劃痕過 程中，應力造成的不同失效形式，可以提供玻璃強度 的信息，并可以對這些玻璃樣品的生產(chǎn)工藝進行排 序。圖像和信號結(jié)合是先進的分析玻璃失效行為的 方法。 本報告中提到的SMT-5000也可以研究玻璃樣品的耐 磨特性。
設備： 材料表面性能綜合測試平臺:SMT-5000
