汽车油漆的划痕测试
2017年JD Power公司“初步质量调研”报告中揭示在美国汽车市场上50%或更多消费者的投诉与汽车划痕、瑕疵以及车漆脱落相关。车漆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，提升表面车漆的抗划性能已成为汽车行业重点关注问题。本应用说明展示了使用材料表面性能综合测试平台SMT-5000对汽车涂层进行的划痕测试。
测试问题
汽车表面漆一般由多层材料组成，具有美观和保护功能。底漆的作用是保护其下面的材料不受腐蚀和其它损伤，而面漆需要美观、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其下面的部件不受环境和外力的损伤。
用户对汽车表面清漆性能改善的需求一直在持续增加（保护汽车在使用寿命期间不受机械损伤）。目前OEM厂商大多仍采用简单的测试方法，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。随着现有清漆质量的提高，这些传统测试的偏差较大且容易受主观判断影响，已经无法准确测量和评估涂层性能的改进和提高。
划痕试验能模拟现实生活中汽车清漆遭受的机械损伤，并清晰区分清漆性能的差别。
汽车清漆所受损伤主要有以下几种类型:
- 洗车时，刷子中小而尖的颗粒造成的微小划痕，一般称为瑕疵。
- 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（甚至可能造成清漆完全脱落），称为宏观划痕。
因此，配方研究人员需要测试清漆抵抗瑕疵、微观和宏观划痕的能力。Rtec材料表面性能综合测试平台提供不同的划痕模块和划痕头，更换简便，可在同一平台上实现从纳米到宏观划痕的高精度划痕测试。
图1：汽车涂料的破坏力和破坏程度
“Fundamentals and Characterizations of scratch resistance on automotive clearcoats”，“汽车清漆抗划伤性的基础和表征”，Progress in Organic Coatings 125（2018）339-347。
测试方法
图二：划痕测试原理
从涂层待测区域上方，通过拖动已知形状的金刚石划痕头产生划痕（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，导致应力不断增加，接触条件更加恶劣。
图三：划痕失效模式的共聚焦图像
完整的划痕三维形貌可以用来辅助分析变形和失效形式。涂层失效时对应的法向力称为临界载荷。可以通过使用图像或图像与传感器信号（如声发射）相结合的方式来确定临界载荷。在划痕测试过程中，可以记录多个信号，从而使研究人员将关注的材料性能与对应的传感器信号关联起来。
测试条件
实验中使用材料表面性能综合测试平台(SMT-5000)对在黑色漆板上的清漆进行划痕测试。 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。试验参数见表1。
| Mar Range | Micro Range | Macro Range | |
|---|---|---|---|
| Damage Simulated | Car wash, buffering… | Nails, keys, tree branches… | Shopping cart, belt buckle, coat zipper… |
| Load Application Profile | Linear increasing | Linear increasing | Linear increasing |
| Scratch Length | 2mm | 2mm | 2mm |
| Initial Load | 0 N | 0.1 N | 0.1 N |
| Final Load | 0.5 N | 8 N | 20 N |
| Scratch Speed | 4 mm/min | 4 mm/min | 4 mm/min |
| Stylus | Rockwell 2 µm radius | Rockwell 50 µm radius | Rockwell 200 µm radius |
图二：测试样品
测试结果
在试验过程中，清漆至少产生两种类型的失效：首先是内聚力失效，然后是清漆材料发生断裂或剥离。三种不同尺度下的划痕测试结果如下：
纳米划痕测试
使用半径为2μm的金刚石划痕头和小载荷（<1N）模拟洗车时刷子对车漆的损害。在这种情况下，只能观察到内聚力失效，如图3所示。
微米划痕测试
使用50μm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4所示。
宏观划痕测试
使用200μm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，清漆很快产生剥离，甚至在色漆中造成了较深的损伤，如图5所示。
宏观划痕测试结果中，不同失效点对应的临界载荷、深度、摩擦系数和三维形貌如图6所示。
图6：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）
Lc2: 清漆层出现剥离
Lc3: 清漆完全剥离并损伤色漆
图7: 宏观划痕测试第一种失效模式（Lc1）
图8: 宏观划痕测试第二种失效模式（Lc2）
图9: 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）
对于绝大多数测试的清漆涂层，通常可以使用摩擦系数的变化来判别前两种失效模式（Lc1和Lc2），并通过共聚焦图像确认。
最后，通过对两个不同样品的测试来比较两种不同清漆的抗划性能。不同尺度（载荷范围）下的失效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 1 | Lc1 [N] | CD1 [µm] | Lc2 [N] | CD2 [µm] | Lc3 [N] | CD3 [µm] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Mar | 0.19 | 3.17 | ||||
| Micro | 2.63 | 23.60 | 8.7 | 43.63 | ||
| Macro | 2.9 | 12.44 | 6.88 | 33.72 | 13.68 | 61.37 |
| Sample 2 | Lc1 [N] | CD1 [µm] | Lc2 [N] | CD2 [µm] | Lc3 [N] | CD3 [µm] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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
对于绝大多数测试的清漆涂层，通常可以使用摩擦系数的变化来判别前两种失效模式（Lc1和Lc2），并通过共聚焦图像确认。
最后，通过对两个不同样品的测试来比较两种不同清漆的抗划性能。不同尺度（载荷范围）下的失效模式对应的临界载荷和划痕残余深度如表2和图12所示。
三维图像信息与传感器信号相结合的方式可以帮助研究人员理解和分析涂层/基体材料体系的抗划性能。
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。
通过比较清漆的不同损伤类型，研究人员可以改良配方，提高产品性能，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。
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
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。通过使用材料表面性能综合测试平台，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。 划痕测试过程产生的应力为评估清漆自身强度以及抵抗剥离的能力提供了非常有价值的信息。三维图像（共聚焦和亮场图像）与传感器信号相结合是目前最先进的评估车漆在不同尺度下、不同失效模式的测试分析手段。
国际标准
ASTM “Standard Test Method for Measuring Mechanistic Aspects of Scratch/Mar Behavior of Paint Coatings by Nano-scratching” 用纳米划痕法测量油漆涂层划痕/抗划性能方面的标准测试方法
更多功能
进一步了解材料表面性能综合测试平台SMT-5000
想要进行多功能划痕测试？
进一步了解多功能摩擦磨损试验机MFT-5000
想了解更多？
如有任何问题或要求演示，请联系我们。
地址：南京市建邺区奥体大街69号新城科技园03栋2层
推荐型号
关于我们
© Copyright 2022 艾泰克仪器科技(南京)有限公司 - All Rights Reserved 备案号：苏ICP备18064175号