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汽車涂料劃痕試驗(yàn)分析應(yīng)用報(bào)告
導(dǎo)言 根據(jù)2017年JD Power公司對(duì)美國(guó)汽車市場(chǎng)質(zhì)量的初步 研究發(fā)現(xiàn)50%或更多消費(fèi)者的投訴與汽車劃痕、瑕疵 以及芯片缺陷相關(guān)。 汽車涂料的改進(jìn)可以使汽車外觀保持更長(zhǎng)久，減少汽 車保險(xiǎn)申報(bào)，并保持二手車的價(jià)值。 因此，汽車清漆抗劃性能的提升已成為汽車行業(yè)的重 點(diǎn)研究問(wèn)題。
測(cè)試問(wèn)題 事實(shí)上，汽車涂料是多層材料的組合，具有美觀和保 護(hù)功能。汽車的底漆必須保護(hù)零件不受腐蝕和其他損 傷，而面漆必須美觀、持久并保持光澤。面漆通常由 色漆和清漆組成，色漆提供顏色和視覺(jué)效果，清漆保 持光澤并保護(hù)部件不受環(huán)境和外力的損傷。 用戶對(duì)清漆性能改善（保護(hù)汽車在使用壽命期間不受 機(jī)械損傷）的需求仍在增加。到目前為止，OEM廠商 仍用簡(jiǎn)單的測(cè)試方法，如 Crockmeter和Amtek-Kistler 方法來(lái)評(píng)估清漆抵抗劃痕和其他機(jī)械應(yīng)力的能力。隨 著清漆質(zhì)量的提高，這些偏差較大、容易受主觀影響 的測(cè)試方法無(wú)法對(duì)材料進(jìn)行精確的表征。 劃痕試驗(yàn)?zāi)苣M現(xiàn)實(shí)生活中汽車清漆所受的的機(jī)械損 傷，并清晰區(qū)分清漆性能的細(xì)微差別。 汽車清漆所受損傷主要有以下幾種類型：
• 洗車刷會(huì)在表面造成小而尖銳的劃痕，稱為瑕疵 劃痕。
• 指甲和樹(shù)枝會(huì)在表面造成較大和更深的劃痕，稱 為微觀劃痕。
• 鑰匙和購(gòu)物車會(huì)在表面造成更大和更深的劃痕 （有時(shí)觀察到清漆*剝離），稱為宏觀劃痕。
因此，研究人員主要測(cè)試清漆抵抗瑕疵劃痕，微觀劃 痕和宏觀劃痕的能力。 SMT-5000提供可更換的劃痕頭，可在一個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn) 從納米到宏觀劃痕的高精度測(cè)量。
不同大小的劃痕頭和法向載荷用來(lái)模擬汽車清漆不同 類型的損傷，可以幫助研究人員更好地分析清漆的抗 劃能力。
測(cè)試方法 在涂層待測(cè)區(qū)域上方，通過(guò)拖動(dòng)已知形狀的金剛石劃 痕頭來(lái)產(chǎn)生劃痕（圖2）。當(dāng)劃痕頭沿樣品表面移動(dòng) 時(shí)，施加在頂端上的法向載荷線性增加，導(dǎo)致接觸應(yīng) 力增加，使接觸條件更加惡劣。
在測(cè)試之后，整個(gè)劃痕的三維形貌可以用來(lái)分析變形 和失效模式。
涂層失效時(shí)對(duì)應(yīng)的法向力稱為臨界載荷。通過(guò)使用圖 像或圖像與信號(hào)（例如聲發(fā)射）的組合來(lái)得到臨界載 荷。在劃痕測(cè)試過(guò)程，可以記錄多個(gè)信號(hào)，從而使研 究人員將關(guān)注的材料性能與傳感器信號(hào)關(guān)聯(lián)起來(lái)。
測(cè)試條件 SMT-5000在黑色漆板上進(jìn)行劃痕測(cè)試。 用三個(gè)不同大小的劃痕頭來(lái)模擬汽車清漆所受的損傷 類型。試驗(yàn)參數(shù)匯總見(jiàn)表1。
測(cè)試結(jié)果 在試驗(yàn)過(guò)程中，清漆至少產(chǎn)生兩種類型的失效：首先 是內(nèi)聚力發(fā)生失效，然后是清漆材料發(fā)生斷裂或剝 離。 三種主要的試驗(yàn)如下： 瑕疵劃痕測(cè)試 使用半徑為2um的金剛石劃痕頭和小載荷(<1N)模擬洗 車中刷子對(duì)車漆的損害。在這種情況下，只能觀察到 內(nèi)聚力失效，如圖5所示
微觀劃痕測(cè)試 使用50um的金剛石劃痕頭和10-20N的法向載荷，來(lái)模 擬樹(shù)枝或指甲對(duì)清漆造成的損傷。在這種情況下，可 觀察到內(nèi)聚力失效和清漆剝離失效，如圖6所示。
宏觀劃痕測(cè)試
宏觀劃痕三維圖像失效點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的臨界載荷、深度和 摩擦系數(shù)如圖8所示。
Lc1: 清漆出現(xiàn)裂紋（內(nèi)聚力失效）
Lc2: 清漆層出現(xiàn)剝離
Lc3: 清漆*剝離并損傷色漆
通過(guò)摩擦系數(shù)的變化，可以觀察到汽車清漆的前兩次 失效模式（Lc1和Lc2）。使用共聚焦圖像可以確認(rèn)并 定位Lc1失效點(diǎn)和材料剝離點(diǎn)(Lc2和Lc3)。 通過(guò)對(duì)兩個(gè)樣品的測(cè)試，來(lái)比較兩種不同清漆的抗劃 性能。樣品的每種損傷模式對(duì)應(yīng)的臨界載荷和劃痕殘 余深度如表2和圖12所示。
性能好的清漆樣品應(yīng)該具有高臨界載荷和低殘余劃 痕深度。 兩個(gè)樣品在不同損傷模式下的臨界載荷和劃痕深度信 息如圖12所示。X軸代表臨界載荷，Y軸表示劃痕殘余 深度。樣品的趨勢(shì)線越傾向于右下角（高臨界載荷和 低殘余劃痕深度），表示樣品性能越強(qiáng)。
三維成像信息與傳感器信號(hào)結(jié)合可以幫助研究人員理 解和分析涂層/基體材料系統(tǒng)的性能。
如圖12所示，雖然樣品2抵抗瑕疵劃痕的能力比樣品1 更強(qiáng)，但是抵抗微觀劃痕和宏觀劃痕的能力較弱。 通過(guò)比較清漆在不同損傷類型上體現(xiàn)的性能，可以幫 助研究人員提高產(chǎn)品的性能，包括增加彈性（降低劃 痕殘余深度），增強(qiáng)材料抗裂紋能力（提高臨界載荷 Lc1）等。
結(jié)論 劃痕測(cè)試提供了一種全新的更準(zhǔn)確的用來(lái)檢測(cè)并改進(jìn) 清漆性能的手段。劃痕測(cè)試技術(shù)可以模擬清漆在實(shí)際 應(yīng)用中所受的損傷。通過(guò)使用SMT-5000，更換不同大 小的劃痕頭和法向載荷，研究人員和OEM廠商可以清 晰區(qū)分不同清漆的性能。
劃痕試驗(yàn)中產(chǎn)生的應(yīng)力為評(píng)估清漆自身強(qiáng)度和抵抗剝 離的能力提供了有價(jià)值的信息。三維圖像（共聚焦和 亮場(chǎng)圖像）與傳感器信號(hào)的結(jié)合是先進(jìn)的分析車漆 抵抗不同損傷模式能力的方法。
設(shè)備： 材料表面性能綜合測(cè)試平臺(tái):SMT-5000
