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化學(xué)鋼化玻璃的抗劃性能應(yīng)用報(bào)告
導(dǎo)言 自2008年康寧®大猩猩®玻璃問世以來，一直被用作智 能手機(jī)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(hù)智能手機(jī)的鋼 化玻璃是非常重要的。這類玻璃需具備足夠的表面強(qiáng) 度、控制缺陷和抗劃傷能力。 除消費(fèi)類電子產(chǎn)品外，化學(xué)鋼化玻璃還應(yīng)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(jī)要求玻璃屏幕能被重復(fù)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(jiān)固、更耐劃傷的材料來供 智能手機(jī)制造商使用。高品質(zhì)的化學(xué)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(shí)降低脆性，才能實(shí)現(xiàn)其應(yīng)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(jìn)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(dòng)已知形狀的金剛石劃 痕頭來產(chǎn)生劃痕。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。
在測試之后，對(duì)整個(gè)劃痕進(jìn)行三維形貌掃描，來分析 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。通過使用圖 像或圖像與信號(hào)（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(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。
測試條件 使用SMT-5000對(duì)三種不同的化學(xué)鋼化玻璃進(jìn)行劃痕測 試。 本測試報(bào)告是模擬沙子或堅(jiān)硬物體對(duì)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(duì) 表面的破壞。因此選擇半徑為20微米的金剛石劃痕頭 來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 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(gè)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(dāng)法向載 荷增加到2N時(shí)，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(gè)劃痕的高度和明場強(qiáng)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(tái)SMT-5000，帶有自動(dòng) 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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(qiáng)。因此，這三種化學(xué)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(xué)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(yīng)力造成的不同失效形式，可以提供玻璃強(qiáng)度 的信息，并可以對(duì)這些玻璃樣品的生產(chǎn)工藝進(jìn)行排 序。圖像和信號(hào)結(jié)合是先進(jìn)的分析玻璃失效行為的 方法。 本報(bào)告中提到的SMT-5000也可以研究玻璃樣品的耐 磨特性。
設(shè)備： 材料表面性能綜合測試平臺(tái):SMT-5000
