钢化玻璃手机膜的耐磨性能

材料表面性能综合测试平台SMT-5000用于表征玻璃表面--耐划痕和耐磨划痕、粗糙度、厚度等。

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简介

手机屏幕保护膜与智能手机一样无处不在，通常由钢化玻璃和聚合物衬底组成。每当寻找一款手机膜时，总是会想：哪一种会更好呢？

所有产品声称具有相同的硬度和耐磨性能，但是抗磨损性能是否真的相似?

造成划痕或磨损的主要原因是金属物体，如钥匙，或者灰尘，包括沙粒(石英)。这些物质对手机保护膜的损害最大。

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测试问题

手机屏幕保护膜（接下来简称为屏保）可以在有灰尘的情况下被滑动多次，也可以与损坏或磨损手机屏幕的物体一起存放。屏保通常作为保护智能手机的“牺牲层”，其使用寿命要求也较高。由于市面上的这些产品声称具有相似的抗磨性，本报告旨在测试不同品牌的产品，以评估其耐磨性能是否与声称的性能一致。

图1：钥匙对屏保造成损伤

为了模拟屏保所受的损伤，本测试主要关注两个因素：沙粒和钥匙。用半径从10到100微米的微凸体来表示沙粒。本试验使用具有3个不同齿半径的钥匙，并用共聚焦显微镜对齿进行测量。

测试方法

表面表征 :

第一步是选取合适半径划痕头来等效钥匙表面。通过使用Rtec Instruments的三维轮廓仪（Lambda型号）对钥匙的3个不同齿进行成像，并测量齿边缘的半径(图2)。

磨损测量 :

为了模拟不同表面与屏保的接触，使用不同半径的金刚石划痕头沿着样品表面反复划动，形成的磨痕符合ASTM G133。恒定的法向力通过划痕头尖端施加到表面，来模拟屏保表面所受的力。可以在固定的时间间隔内对整个磨痕成像，得到磨损量随时间变化的趋势。当观测到磨痕中出现材料剥落时，试验终止。磨痕过程中可记录多个信号，帮助研究人员分析材料失效的形式。

Key Tooth profilometry with Rtec Lambda Profilometer

图2：钥匙齿的轮廓

测试条件

使用三维轮廓仪（Lambda型号）共聚焦50X镜头对钥匙齿进行扫描成像，进一步分析并决定划痕试验中使用的划痕头半径。

使用材料表面性能综合测试平台（SMT-5000）在三种不同的钢化玻璃屏保上进行简单线性往复磨损试验，产生磨痕(图3)。使用两种不同尺寸的金刚石划痕头分别来模拟沙粒(半径为20微米)和钥匙(半径为100微米)。通过划痕头尖端施加的法向载荷模拟真实工况下屏保所受的力。

每300次循环试验后，对整个磨痕进行共焦成像。最后，在1500次循环试验后，测量并比较不同样品的磨损量。

测试参数见表1。

Load Application Profile	Constant Load
Track Length	1 mm
Normal Load	2 & 7 N
Linear Reciprocating Frequency	5 Hz
Stylus	Diamond spheres 20 µm & 100 µm radius

表1：测试条件

Screen protector with diamond stylus in the SMT-5000

图3：金刚石尖端作用在屏保上（SMT-5000）

测试结果

划痕头半径选择

对钥匙三个齿进行成像，包括角度和半径。如图4所示，在齿横截面的两个垂直方向上进行分析。通过计算，钥匙齿平均半径值为102.7微米，因此可以使用半径为100微米的金刚石划痕头进行测试。

3D image of a key tooth and the radii measurements on its cross profiles

图4：钥匙齿的三维图像及横截面轮廓上的半径测量

耐磨样品的磨损研究

线性往复试验往往会经历三个磨损阶段。第一阶段是经过前几百个循环测试后，在材料中形成凹槽。第二个阶段是在磨痕或磨痕的末端出现赫兹裂纹。最后阶段，裂纹延伸，材料产生剥离，完全失效。

第一个阶段是表面的磨粒磨损。试验后，每个样品产生凹槽，但不同样品深度不同。为了比较材料磨损情况，计算每个样品经过1500次循环后的磨损体积。

Wear Volume (µm³)

	20 µm stylus	100 µm stylus
A	2789	5116
B	5674	8992
C	4851	6497

结果见表2。

图5：300个测试循环后的样品磨痕

图6：磨痕磨损

经过1000次循环后，可以在共焦和亮场图像下观察到磨痕中产生了裂纹。暗场图像也证实了裂纹的存在，如图7所示。?

随着裂纹的出现，一些玻璃磨粒进入磨痕，加速了失效进程。虽然在实际使用中裂纹的出现就意味着应该更换屏保了，但是本测试报告中，磨损实验继续进行，直到材料发生剥离失效，如图8所示。

图7：试样B的裂纹 (共焦图像在上方，亮视场在下方)

从第一条裂缝开始，一些玻璃颗粒进入滑动接触，加速了沟槽的恶化。

第一条裂缝的出现会提示用户更换屏幕保护膜，但在这项研究中，线性往复测试被推到了刮开钢化玻璃的程度，并对每个样品的极端情况进行了比较。图8显示了在磨损疤痕中心的这种故障。

记录每个样品产生完全失效所用的测试周期，来量化比较每个产品的耐磨性能。

实验结果见图3?

图9总结了每个样品的磨损量和完全失效的测试周期。

完全失效所需的循环数

	20 µm stylus	100 µm stylus
A	3900	4500
B	1800	2100
C	3300	3900

表3：样品完全失效所用测试周期

Chipping failure of the tempered glass on the wear track for sample C

图8：C试样材料剥离现象

wear volumes and cycles to failure for each screen protector

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结论

之前的化学钢化玻璃的抗划性能报告主要是针对智能手机玻璃的（屏幕）的抗划伤性，Rtec Instruments材料表面性能综合测试平台SMT-5000对智能手机的钢化玻璃屏幕进行抗划性能测试。材料表面性能综合测试平台SMT-5000也可以通过遵循ASTMG133或其他相关标准，对钢化玻璃进行摩擦磨损测试，以进一步分析和研究此类材料。

在不同时间间隔采集的图像提供了材料失效过程的信息。通过共焦图像，可以计算体积和面积，简化了分析过程。

尽管这三种不同的屏保声称具有相似的性能，划痕测试可清晰分辨样品耐磨性能和抗断裂性能的差异。