ガラスの耐傷性 はじめに
2008年の登場以来、コーニング® ゴリラ® ガラスはスマートフォンの画面に欠かせない素材となっています。2020年にゴリラ® ガラスの「ヴィクタス®」バージョンが発表されたことは、こうした素材の開発が絶え間なく続けられていることを示しています。 スマートフォンを過酷な使用環境下で保護できる薄型のガラス部品に、耐傷性と耐衝撃性を兼ね備えるためには、化学強化ガラスの開発が不可欠となりました。これらのガラスは、表面強度、欠陥を封じ込める能力、そして耐傷性を備えています。一般に広く知られるようになった民生用電子機器に加え、これらの製品は産業、自動車、航空、建築、製薬などの分野でも活用されています。
耐スクラッチ性に問題がある
スマートフォンには、何度もスワイプ操作が可能であり、鍵などの傷をつける恐れのある他の物品と一緒に収納されても耐えられる、薄いガラススクリーンが求められます。ガラスメーカー各社は、スマートフォンメーカーが採用できる、より強靭で傷がつきにくい素材の開発につなが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物体による傷に耐える能力にかかっている。ガラスのように一般的に脆い素材を使用する際の課題は、その用途に必要な機能を実現するために、弾性を高めつつ、同時に脆さを低減しなければならない点にある。 これらの製品の耐傷性を評価するには、当然ながら引っかき試験が選ばれますが、この試験からは、単なる耐傷性以上の多くの情報が研究者に得られます。したがって、引っかき試験は、研究者や品質管理エンジニアにとって、これらのガラス製品を改善・管理する上で明らかな利点をもたらします。
耐スクラッチ性試験 – 試験の原理
図1に示すように、所定の形状を持つダイヤモンドチップを、対象となる試料の表面上で引きずることで、引っかき傷を形成します。チップを表面に沿って移動させるにつれて、チップに加わる法線荷重が直線的に増加し、それによって接触の程度が徐々に強まります。 スクラッチ形成後、スクラッチ全体を撮影し、さまざまな変形や破壊現象を分析する。
図1：スクラッチ試験の原理
図2：スクラッチ破壊の共焦点画像
破損が発生する通常の荷重は、臨界荷重1, 2と呼ばれる。臨界荷重は、画像解析、あるいは画像解析と信号解析（例えば、アコースティックエミッション）を組み合わせることで求められる。スクラッチ試験中は複数の信号を記録できるため、ユーザーは挙動と特定の測定値を相互に関連付けることができる。
引っかき試験条件
表1：試験条件
図3：装置内のガラス試料
図4：ガラスA試料の浸透深度、摩擦力、音響エミッション、および限界荷重（縦線）のグラフ
試験結果
いずれの場合も、法線力が増加するにつれて、ガラスには少なくとも1種類の破損が生じ、それはスクラッチ溝の両側に生じた亀裂として確認された。 さらに2つの試験片では、材料の完全な破断および欠けを伴う完全な破壊が生じた。図2は、法線方向のスクラッチ荷重を2Nまで増加させた際の、試験片Bの貫入深度および摩擦係数の推移を示している。
この場合、2種類の障害が記録されます：
Lc1：溝の側面に最初のひびが入った
ガラスの欠けや完全な破損
破壊現象の共焦点および明視野イメージング
図5：界面における接着破壊
図6：ガラスA（Lc2）の欠け
図7：破損箇所のガラスAの共焦点顕微鏡画像および明視野顕微鏡画像
図5の下部にある明視野画像では、すべての試料における最初の破損（Lc1）がはっきりと確認できます。スクラッチ後に実施された独自の画像取得により、スクラッチ全体にわたる高さおよび明視野強度が記録されています。この包括的な画像取得により、すべてのガラス試料における破損（Lc1およびLc2）に関する追加情報が得られています。 共焦点イメージングと明視野イメージングの組み合わせは、スクラッチ試験機としては独自のものであり、Rtec-Instruments社製のSMT-5000が導入されるまでは得られなかった情報を提供します。図8に示すように、臨界荷重の概要は、各試料の比較に役立ちます。
ガラスの引っかき試験 結論
3種類の化学強化ガラスは、性能の低い順から高い順に、A、B、Cとランク付けできる。すべてのガラスで、溝の端に最初の亀裂が生じる破損が見られるが、最大引っかき荷重2 N未満で欠けが生じるのはAとBのみである。 さらに、3つの試料すべてにおいて破損様式が類似していることから、3つの試料すべてにおいて、同様の応力がLc 1およびLc 2を引き起こしていると結論づけられる。
図8：3つのガラス試料の臨界荷重の概要
結論
スクラッチ試験法を用いて、Gorilla®ガラスなどの化学強化ガラスの摩耗および損傷における「最悪のケース」をシミュレートした。スクラッチ試験中に生じる応力から、各種ガラスの強度に関する情報が得られ、それらの試料の製造に用いられたさまざまな処理法の優劣を評価することが可能となる。 画像解析と信号解析を組み合わせることで、ガラスの破壊挙動について最先端の知見が得られます。また、同じ装置を用いて、これら同一の試料の摩耗についても調査が行われていますが、その結果については本稿では報告していません。
参考文献
1ASTMC 1624-05「定量的単一点スクラッチ試験によるセラミックコーティングの付着強度および機械的破壊モードの標準試験方法」
2ISO 20502「スクラッチ試験によるセラミックコーティングの付着性の測定」
3浸食・土砂流出防止管理システム。オーストラリア、マッコーリー湖：1999年9月9日
