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汽車涂料劃痕試驗分析應用報告
導言 根據2017年JD Power公司對美國汽車市場質量的初步 研究發現50%或更多消費者的投訴與汽車劃痕、瑕疵 以及芯片缺陷相關。 汽車涂料的改進可以使汽車外觀保持更長久，減少汽 車保險申報，并保持二手車的價值。 因此，汽車清漆抗劃性能的提升已成為汽車行業的重 點研究問題。
測試問題 事實上，汽車涂料是多層材料的組合，具有美觀和保 護功能。汽車的底漆必須保護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效果，清漆保 持光澤并保護部件不受環境和外力的損傷。 用戶對清漆性能改善（保護汽車在使用壽命期間不受 機械損傷）的需求仍在增加。到目前為止，OEM廠商 仍用簡單的測試方法，如 Crockmeter和Amtek-Kistler 方法來評估清漆抵抗劃痕和其他機械應力的能力。隨 著清漆質量的提高，這些偏差較大、容易受主觀影響 的測試方法無法對材料進行精確的表征。 劃痕試驗能模擬現實生活中汽車清漆所受的的機械損 傷，并清晰區分清漆性能的細微差別。 汽車清漆所受損傷主要有以下幾種類型：
• 洗車刷會在表面造成小而尖銳的劃痕，稱為瑕疵 劃痕。
• 指甲和樹枝會在表面造成較大和更深的劃痕，稱 為微觀劃痕。
• 鑰匙和購物車會在表面造成更大和更深的劃痕 （有時觀察到清漆*剝離），稱為宏觀劃痕。
因此，研究人員主要測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，可在一個平臺上實現 從納米到宏觀劃痕的高精度測量。
不同大小的劃痕頭和法向載荷用來模擬汽車清漆不同 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。
測試方法 在涂層待測區域上方，通過拖動已知形狀的金剛石劃 痕頭來產生劃痕（圖2）。當劃痕頭沿樣品表面移動 時，施加在頂端上的法向載荷線性增加，導致接觸應 力增加，使接觸條件更加惡劣。
在測試之后，整個劃痕的三維形貌可以用來分析變形 和失效模式。
涂層失效時對應的法向力稱為臨界載荷。通過使用圖 像或圖像與信號（例如聲發射）的組合來得到臨界載 荷。在劃痕測試過程，可以記錄多個信號，從而使研 究人員將關注的材料性能與傳感器信號關聯起來。
測試條件 SMT-5000在黑色漆板上進行劃痕測試。 用三個不同大小的劃痕頭來模擬汽車清漆所受的損傷 類型。試驗參數匯總見表1。
測試結果 在試驗過程中，清漆至少產生兩種類型的失效：首先 是內聚力發生失效，然后是清漆材料發生斷裂或剝 離。 三種主要的試驗如下： 瑕疵劃痕測試 使用半徑為2um的金剛石劃痕頭和小載荷(<1N)模擬洗 車中刷子對車漆的損害。在這種情況下，只能觀察到 內聚力失效，如圖5所示
微觀劃痕測試 使用50um的金剛石劃痕頭和10-20N的法向載荷，來模 擬樹枝或指甲對清漆造成的損傷。在這種情況下，可 觀察到內聚力失效和清漆剝離失效，如圖6所示。
宏觀劃痕測試
宏觀劃痕三維圖像失效點所對應的臨界載荷、深度和 摩擦系數如圖8所示。
Lc1: 清漆出現裂紋（內聚力失效）
Lc2: 清漆層出現剝離
Lc3: 清漆*剝離并損傷色漆
通過摩擦系數的變化，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并 定位Lc1失效點和材料剝離點(Lc2和Lc3)。 通過對兩個樣品的測試，來比較兩種不同清漆的抗劃 性能。樣品的每種損傷模式對應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該具有高臨界載荷和低殘余劃 痕深度。 兩個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。
三維成像信息與傳感器信號結合可以幫助研究人員理 解和分析涂層/基體材料系統的性能。
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，但是抵抗微觀劃痕和宏觀劃痕的能力較弱。 通過比較清漆在不同損傷類型上體現的性能，可以幫 助研究人員提高產品的性能，包括增加彈性（降低劃 痕殘余深度），增強材料抗裂紋能力（提高臨界載荷 Lc1）等。
結論 劃痕測試提供了一種全新的更準確的用來檢測并改進 清漆性能的手段。劃痕測試技術可以模擬清漆在實際 應用中所受的損傷。通過使用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 晰區分不同清漆的性能。
劃痕試驗中產生的應力為評估清漆自身強度和抵抗剝 離的能力提供了有價值的信息。三維圖像（共聚焦和 亮場圖像）與傳感器信號的結合是先進的分析車漆 抵抗不同損傷模式能力的方法。
設備： 材料表面性能綜合測試平臺:SMT-5000
