化学強化ガラスの耐擦傷性

Rtec Instrumentsのインデンテーション＆スクラッチ試験機は、あらゆる用途のガラスの耐スクラッチ性の向上を検出するための、新しくより正確な技術を提供します。

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ガラスの耐擦傷性はじめに

Corning®Gorilla®ガラスは、2008年の発売以来、スマートフォンの画面に遍在するガラスです。 2020年にVictus®バージョンのGorilla®ガラスが発表されたことは、そのような材料の開発が継続的にされていたことを示しています。スマートフォンの激しい使用時に保護できる薄いガラス部品に耐擦傷性と耐衝撃性を組み合わせるために、化学的に強化されたガラスの開発が必要になりました。これらのガラスは、表面強度、傷を封じ込める能力、および耐擦傷性を示します。これらの製品は、一般的な家電製品に加えて、産業、自動車、航空、建築、製薬のアプリケーションでも使用されています。

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ひっかき抵抗問題

スマートフォンには、複数回スワイプでき、鍵などの他の有害なアイテムと一緒に保管しても生き残ることができる薄いガラススクリーンが必要です。ガラスメーカーは、スマートフォンメーカーが使用するより強力で傷のつきにくい材料につながる可能性のある研究に投資しています。したがって、優れた化学強化ガラスの品質は、その表面に接触する粒子やアイテムによる引っかき傷に抵抗する能力にあります。ガラスなどの一般的に脆い材料を使用する場合の課題は、その用途に必要な機能を実現するために、弾性を高めると同時に脆性を減らす必要があることです。これらの製品の耐擦傷性をテストするためのスクラッチテストは当然の選択ですが、このテストにより、研究者は耐スクラッチ性だけでなく、はるかに多くの情報を得ることができます。したがって、スクラッチテストは、研究者や品質管理エンジニアがこれらのガラス製品を改善および管理するための明確な利点を提供します。

引っかき抵抗試験-試験の原理

図1に示すように、対象のサンプルの表面上に既知の形状のダイヤモンドチップをドラッグすると、スクラッチが作成されます。チップが表面に沿って移動すると、チップにかかる通常の荷重が直線的に増加します。スクラッチに続いて、スクラッチ全体の画像が撮影され、さまざまな変形や不良が分析されます。

Figure 1:スクラッチテストの原理

Figure 2:スクラッチ不良の共焦点画像

不良が発生する通常の負荷は、クリティカル負荷1、2と呼ばれます。クリティカル負荷は、イメージング、またはイメージングと信号の組み合わせ（アコースティックエミッションなど）を使用して検出されます。スクラッチテスト中に複数の信号を記録できるため、ユーザーは動作と特定の測定値を相互に関連付けることができます。

スクラッチ試験条件

インデンテーション＆スクラッチテスター（SMT-5000）を使用して、3つの異なる化学強化ガラスにスクラッチを作成しました。この研究は、ガラススクリーン上の砂または硬いほこりの粒子によって引き起こされる可能性のある損傷をシミュレートするために行われました。最悪のシナリオは、直径20μmの石英の粒子として選択されました。したがって、半径20μmのダイヤモンドロックウェルを使用します。テストパラメータは表1にまとめられています。

加重条件	線形増加
スクラッチ長	1 mm
初期加重	50 mN
最終加重	2 N
スクラッチ速度	2 mm/min
スタイラス	Rockwell with Φ20 µm

Table 1: テスト条件

Figure 3: 機器内のガラスサンプル

ガラスAのサンプルの侵入深さ、摩擦力、アコースティックエミッション、および臨界荷重のプロット

Figure 4: ガラスAのサンプルの侵入深さ、摩擦力、アコースティックエミッション、および臨界荷重（垂直線）のプロット

試験結果

すべての場合において、法線力が増加するとガラスは少なくとも1つのタイプの不良を経験します。これは、引っかき溝の両側の亀裂として識別されます。さらに、2つのサンプルで、材料の完全な破壊とチッピングを伴う材料の完全な破損が発生しました。図2は、通常の引っかき荷重が2Nまで増加したときに、サンプルBの侵入深さと摩擦係数が得られることを示しています。

この場合、2つのタイプの不良が記録されます。

Lc1: 溝の側面の最初の亀裂

Figure 5: インターフェースでの接着不良

ガラスの欠けと完全な不良

Figure 6: ガラスAのチッピング（Lc2）

不良の共焦点および明視野画像

Figure 7: 不良領域のガラスAの共焦点および明視野画像

すべてのサンプル（Lc1）の最初の不良は、図5の下部にある明視野画像ではっきりと観察できます。スクラッチ後に実行された独自の画像取得では、スクラッチ全体に沿って高さと明視野強度の両方が記録されます。この完全な取得により、すべてのガラスサンプルの不良Lc1およびLc2に関する追加情報が提供されます。共焦点画像と明視野画像の組み合わせはスクラッチ試験機で独自のものであり、Rtec-InstrumentsSMT-5000では入手できなかった情報を提供します。図8に示すように、臨界負荷の要約は、サンプルの優れた比較を提供します。

ガラスのスクラッチテスト結論

化学的に強化された3つのガラスは、A、B、Cの順に下から最高ランク付けできます。すべてのガラスは溝の端で最初の亀裂破壊が見られますが、最大引っかき力が2N未満のAとBのみが欠けています。さらに、すべての障害は3つのサンプルすべてで類似しているように見え、同様の応力が3つのサンプルすべてでLc1とLc2を引き起こしているという結論に至ります。

Figure 8: 3つのガラスサンプルの臨界荷重の概要

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結論

引っかき試験技術を使用して、Gorilla®ガラスなどの化学的に強化されたガラスの摩耗と損傷の「最悪の場合」のシナリオをシミュレートしました。スクラッチテスト中に発生する応力は、さまざまなガラスの強度に関する情報を提供し、それらのサンプルを生成するために使用されるさまざまな処理のランク付けを可能にします。画像分析と信号分析の組み合わせにより、ガラスの破損挙動を最も高度に理解できます。これらの結果はここでは報告されていませんが、同じ機器を使用して、同じサンプルの摩耗を調査しています。

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参考文献

¹ASTM C 1624-05 “Standard test method for adhesion strength and mechanical failure modes of ceramic coatings by quantitative single point scratch testing.「定量的シングルポイントスクラッチ試験によるセラミックコーティングの接着強度と機械的破損モードの標準試験方法。」” ² ISO 20502 “Determination of adhesion of ceramic coatings by scratch testing.「スクラッチテストによるセラミックコーティングの接着性の測定」” ³ Erosion and Sediment Control Management System. Lake Macquarie, Australia: 9 September 1999　侵食および堆積物管理管理システム。オーストラリア、マッコーリー湖：1999年9月9日