化学钢化玻璃的抗划性能

Rtec Instruments材料表面性能综合测试平台提供了一种新的和更精确的技术来检测所有应用中的玻璃抗划痕能力的改进。

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简介

自2008年康宁®大猩猩®玻璃问世以来，一直被用作智能手机屏幕。2020年Victus®版本的大猩猩®玻璃的发布显示出，这类材料的开发仍需持续不断的努力。研发具有抗划和抗冲击性能并可以保护智能手机的钢化玻璃是非常重要的。这类玻璃需具备足够的表面强度、控制缺陷和抗划伤能力。除消费类电子产品外，化学钢化玻璃还应用于工业、汽车、航空、建筑和制药等领域。

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测试问题

智能手机要求玻璃屏幕能被重复触滑，并且与其他尖锐物品如钥匙一起存放。玻璃制造商致力于研究更坚固、更耐划伤的材料来供智能手机制造商使用。高品质的化学钢化玻璃需要能够抵抗来自表面接触物或颗粒的划伤。使用玻璃等脆性材料的挑战在于，必须增加弹性的同时降低脆性，才能实现其应用中所需的功能。划痕测试是测量这类产品抗划性能的不二选择，可以带来更多的信息，从而可以帮助研究人员和质量控制工程师改进和控制玻璃产品的质量。

测试原理

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。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，导致接触应力增加，使接触条件更加恶劣。在测试之后，对整个划痕进行三维形貌扫描，来分析变形和失效模式。

图1：划痕原理

图2：划痕共焦图像

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）结合来测量临界载荷。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

使用材料表面性能综合测试平台(SMT-5000)对三种不同的化学钢化玻璃进行划痕测试。本测试报告是模拟沙子或坚硬物体对玻璃屏幕造成的损伤。最恶劣的情况可能是直径为20微米的石英粒对表面的破坏。因此选择半径为20微米的金刚石划痕头来进行实验。测试参数汇总见表1。

Load Application Profile	Linear increasing
Scratch Length	1 mm
Initial Load	50 mN
Final Load	2 N
Scratch Speed	2 mm/min
Stylus	Rockwell with 20 µm radius

表1：测试条件

图3：玻璃样品

Plots of penetration depth, friction force, acoustic emission, and critical loads for glass A sample

图4：与临界载荷对应的的磨痕深度、摩擦力、声发射（玻璃A样品）

测试结果

在所有测试中，随着法向载荷的增加，玻璃表面至少产生一种类型的失效，如划痕任意一侧产生了裂纹。其中两个样品在出现上述失效模式之后，又产生了另一种失效形式-材料彻底剥落并完全失效。当法向载荷增加到2N时，样品A的磨痕深度和摩擦系数如图4所示。

在这种情况下，玻璃产生了两种类型的失效：

Lc1：划痕两侧出现裂纹

图5：玻璃A产生裂纹（Lc1）

Lc2：玻璃剥离并完全失效

图6：玻璃A材料剥离（Lc2）

共焦明场失效图像

Confocal and bright field images of glass A in the failures area

图7：玻璃A失效区域的共焦和明场图像

可以在明场图像上清楚地观察到所有样品的第一种失效模式(Lc1)，如图7所示。在划痕测试后，采集到的信息记录了整个划痕的高度和明场强度。这些完整的数据包含了玻璃样品失效模式Lc1和Lc2相关的信息。Rtec Instruments材料表面性能综合测试平台SMT-5000，集成专利的三维形貌技术，提供了共聚焦和明场成像能力。玻璃样品临界载荷总结如图8所示。

结论

如图所示，玻璃A和玻璃B产生了对应Lc2的材料剥离失效模式，但是玻璃C没有产生此类失效，所以性能最强。所有玻璃样品在划痕两侧产生了对应Lc1的裂纹失效模式，但是玻璃B的临界载荷高于玻璃A，所以玻璃B性能比玻璃A强。因此，这三种化学钢化玻璃性能从低到高排序依次为：A

Critical loads summary for the 3 glass samples

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总结

划痕测试技术用来模拟“极端条件”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。图像和信号结合是最先进的分析玻璃失效行为的方法。本报告中提到的材料表面性能综合测试平台SMT-5000也可以研究玻璃样品的耐磨特性。

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参考资料

¹ASTM C 1624-05 “Standard test method for adhesion strength and mechanical failure modes of ceramic coatings by quantitative single point scratch testing.「通过定量单点划痕测试，陶瓷涂层的附着力强度和机械失效模式的标准测试方法。」

²ISO 20502 “Determination of adhesion of ceramic coatings by scratch testing.「通过划痕试验确定陶瓷涂层的附着力」

³Erosion and Sediment Control Management System. Lake Macquarie, Australia: 9 September 1999　侵蚀和沉积物控制管理系统。澳大利亚Macquarie湖：1999年9月9日