Problèmes liés aux tests de résistance à l’usure des protections d’écran
Les protections d’écran peuvent être essuyées à plusieurs reprises alors qu’elles sont recouvertes de poussière et peuvent être rangées avec de nombreux autres objets susceptibles d’endommager ou d’user l’écran. Elles servent généralement de couche sacrificielle pour protéger le smartphone, mais on attend tout de même d’elles qu’elles durent longtemps. Alors que tous ces produits revendiquent une résistance similaire, cette étude a souhaité tester quelques-uns d’entre eux, issus de différentes marques, afin d’évaluer leur résistance à l’usure et de vérifier s’ils étaient réellement équivalents, comme annoncé.
Afin de mettre en évidence les dommages subis par ces protections d’écran, cette étude s’est concentrée sur les deux éléments les plus couramment à l’origine de ces dommages : les particules de sable et les clés. Les particules de sable peuvent être représentées par une aspérité dont le rayon varie de 10 à 100 microns. Pour la clé, cette étude a utilisé un microscope confocal afin de mesurer les rayons présents sur trois dents différentes d’une clé.
Méthodologie relative à la résistance à l’usure
Caractérisation des aspérités :
La première étape a consisté à caractériser les aspérités de la clé afin de déterminer le rayon équivalent approprié. Pour ce faire, on a utilisé le profilomètre à tête Lambda de Rtec-Instruments afin de réaliser des images de trois dents différentes d’une clé et de mesurer les rayons au niveau des différents bords (figure 2).
Mesure de l’usure :
Afin de simuler les différentes aspérités en contact avec les protecteurs d’écran, des pointes en diamant de différents rayons sont traînées de manière répétée le long de la surface des échantillons pour créer une trace d’usure conformément à la norme ASTM G133. Une force normale constante est appliquée à la pointe afin de simuler la force exercée par une aspérité glissant sur la surface du protecteur d’écran. La trace d’usure complète est imagée à intervalles réguliers afin d’observer son évolution et de quantifier l’usure en fonction du temps. L’essai est interrompu lorsqu’une rupture par ébréchage totale est observée le long de la trace d’usure. Plusieurs signaux peuvent être enregistrés pendant l’essai de rayure, ce qui permet à l’utilisateur d’établir une corrélation entre les comportements et des mesures spécifiques.
Figure 2 : Profilométrie des dents d’engrenage
| Charger le profil d’application | Charge constante |
| Longueur de la voie | 1 mm |
| Charge normale | 2 et 7 N |
| Fréquence linéaire de va-et-vient | 5 Hz |
| Stylet | Sphères de diamant de 20 µm et 100 µm de rayon |
Conditions d’essai de résistance à l’usure
Le profilomètre à tête Lambda a été utilisé pour obtenir des images des dents de la clé. Une image confocale réalisée à l’aide d’un objectif à grossissement de 50X a été obtenue, puis analysée afin de déterminer le rayon moyen d’aspérité à utiliser lors de l’essai d’usure.
Le testeur d’indentation et de rayure (SMT-5000) a été utilisé pour créer des traces d’usure (figure 3) sur trois protecteurs d’écran en verre trempé différents. Un simple essai d’usure linéaire en va-et-vient a été réalisé sur les différents échantillons. Deux diamants différents ont été utilisés pour simuler du sable (rayon de 20 microns) et une clé (rayon de 100 microns). Les forces normales exercées sur les diamants ont également été choisies de manière à reproduire des situations réelles.
Une image confocale de la piste complète a été prise tous les 300 cycles. Enfin, le volume d’usure a été mesuré après 1 500 cycles afin de comparer les différents échantillons.
Les paramètres d’essai sont résumés dans le tableau 1
Résultats des essais de résistance à l’usure des protections d’écran
Caractérisation du rayon d’aspérité
Trois dents d’une clé ont été photographiées afin d’être représentatives de différents angles et rayons. Chaque dent a été sectionnée dans deux directions orthogonales, comme le montre la figure 4. La moyenne de tous les rayons mesurés sur la clé a été calculée à 102,7 microns, ce qui a conduit à l’utilisation d’un stylet diamanté de 100 microns de rayon pour réaliser l’essai d’usure.
Étude de l’usure d’échantillons destinés à évaluer la résistance à l’usure
Les essais de va-et-vient linéaires entraînent trois phases d’usure sur les échantillons. La première phase consiste en la formation d’une rainure dans le matériau ; ce phénomène se produit au cours des premières centaines de cycles. La phase suivante est marquée par l’apparition de fissures hertziennes, soit dans la trace d’usure, soit à l’une des extrémités de celle-ci. Enfin, les fissures se propagent et entraînent la rupture complète du verre par ébréchure.
Le nombre de cycles nécessaires pour constater la défaillance totale du film de protection a été enregistré pour chaque échantillon, puis comparé afin de quantifier la résistance de chacun des produits.
Les résultats sont présentés dans le tableau 3.
| Stylet de 20 µm | Stylet de 100 µm | |
|---|---|---|
| A | 2789 | 5116 |
| B | 5674 | 8992 |
| C | 4851 | 6497 |
Après 1 000 cycles, l’application continue de la charge dans la rainure d’usure commence à provoquer l’apparition de fissures hertziennes dans le verre trempé, comme le montrent les images confocales et en champ clair. L’image en champ sombre confirme la présence d’une fissure, comme l’indique la figure 7.
Dès l’apparition des premières fissures, des particules de verre pénètrent dans la zone de contact glissant et accélèrent la dégradation de la rainure. Bien que l’apparition des premières fissures inciterait l’utilisateur à changer son film de protection d’écran, cette étude a poussé l’essai de va-et-vient linéaire jusqu’à l’ébréchure du verre trempé afin de comparer la limite ultime de chaque échantillon. La figure 8 illustre ce type de rupture au milieu de la trace d’usure.
Dès l’apparition des premières fissures, des particules de verre pénètrent dans le contact glissant et accélèrent la dégradation de la rainure.
Bien que l’apparition des premières fissures inciterait l’utilisateur à changer son film de protection d’écran, cette étude a poussé l’essai linéaire alternatif jusqu’à l’écaillage du verre trempé afin de comparer la limite ultime de chaque échantillon. La figure 8 illustre ce type de rupture au milieu de la trace d’usure.
Le nombre de cycles nécessaires pour observer cette défaillance totale du film de protection a été enregistré pour chaque échantillon, puis comparé afin de quantifier la résistance de chacun des produits.
Les résultats sont présentés dans le tableau 3.
La figure 9 résume cette étude en présentant à la fois le volume d’usure et le nombre de cycles jusqu’à la rupture complète pour chaque échantillon.
| Stylet de 20 µm | Stylet de 100 µm | |
|---|---|---|
| A | 3 900 | 4 500 |
| B | 1800 | 2 100 |
| C | 3 300 | 3 900 |
Conclusions
Les notes d’application précédentes portaient sur la résistance aux rayures des écrans et des verres (protections d’écran) destinés aux smartphones (voir les notes d’application de Rtec Instruments sur la résistance aux rayures du verre). Ces mêmes instruments permettent d’approfondir la compréhension des verres en fournissant une étude tribologique complète, comme démontré ci-dessus. La norme ASTM G133 ou d’autres normes pertinentes peuvent être mises en œuvre sur les instruments Rtec-Instruments afin d’approfondir la compréhension de ces verres et de leur capacité à protéger les smartphones qu’ils sont censés protéger.
L’acquisition automatique d’images à différents intervalles offre une visualisation unique de la trace d’usure et des différentes défaillances. Les images confocales permettent de calculer des volumes et des surfaces, simplifiant ainsi l’analyse tribologique de cette étude.
Bien que ces trois protections d’écran différentes aient affiché des performances similaires, cette étude a mis en évidence une différence nette en matière de résistance à l’usure et de résistance à la rupture pour ces échantillons.
