玻璃的耐刮擦性 简介
自2008年问世以来，康宁®大猩猩®玻璃已成为智能手机屏幕中无处不在的材料。2020年大猩猩®玻璃Victus®版本的推出表明，此类材料的研发是一项持续不断的努力。 为了将抗刮擦和抗冲击性能融合到一片薄玻璃中，从而在智能手机高强度使用过程中为其提供保护，化学强化玻璃的研发便变得势在必行。这类玻璃具有表面强度高、能有效抑制缺陷以及抗刮擦等特性。除了让其广为人知的消费电子产品外，这些产品还广泛应用于工业、汽车、航空、建筑和制药等领域。
耐刮擦性存在问题
智能手机需要一种薄玻璃屏幕，既能经受多次滑动操作，又能承受与钥匙等易造成损伤的物品一同存放。玻璃制造商正在投入研发，以期开发出更坚固、更耐刮擦的材料，供智能手机制造商使用。 因此，优质化学强化玻璃的质量取决于其抵御与表面接触的颗粒或物品造成划痕的能力。使用玻璃这类通常较为脆性的材料所面临的挑战在于，必须同时提高其弹性并降低其脆性，才能满足应用所需的功能。 虽然划痕测试是检验这些产品抗刮擦性能的显而易见的选择，但该测试能为研究人员提供的信息远不止于抗刮擦性能。因此，划痕测试对于研究人员和质量控制工程师改进和控制这些玻璃产品具有明显的优势。
耐刮擦试验——试验原理
如图1所示，通过将几何形状已知的金刚石探针在待测样品表面上拖动，形成一道划痕。随着探针沿表面移动，施加在探针上的法向载荷呈线性增加，从而导致接触强度逐渐增大。 划痕形成后，对整个划痕区域进行成像，以分析其不同的变形和失效情况。
图1：划痕试验原理
图2：划痕失效的共聚焦图像
导致失效的正常载荷称为临界载荷¹、²。临界载荷可通过成像方法，或成像与信号（例如声发射）相结合的方法来确定。在划痕试验过程中可记录多种信号，从而使用户能够将行为与具体测量结果建立关联。
划痕测试条件
表 1：测试条件
图3：仪器中的玻璃样品
图4：玻璃A样品的穿透深度、摩擦力、声发射及临界载荷（垂直线）的曲线图
测试结果
在所有情况下，随着法向力的增大，玻璃都会发生至少一种失效现象，表现为划痕槽两侧出现裂纹。 其中两个试样还出现了材料完全失效，表现为材料完全断裂和剥落。图2显示了试样B在法向划痕载荷增加至2N时所获得的穿透深度和摩擦系数。
在此情况下，记录了两种类型的故障：
Lc1：沟槽两侧出现第一道裂纹
玻璃的碎裂和完全破损
断裂现象的共聚焦和明场成像
图5：界面处的粘结失效
图6：玻璃A（Lc2）的缺口
图7：玻璃A在断裂区域的共聚焦显微镜图像和明场显微镜图像
在图5底部的明场图像上，可以清晰地观察到所有样品的首次失效（Lc1）。在划痕测试后进行的独特图像采集，记录了整个划痕沿线的高度和明场强度。这种完整的采集为所有玻璃样品的Lc1和Lc2失效提供了额外信息。 在划痕测试仪上，共聚焦成像与明场成像的结合具有独特性，并提供了在采用 Rtec-Instruments SMT-5000 之前从未获得过的信息。如图 8 所示，关键载荷的汇总为样品之间的比较提供了良好的依据。
玻璃划痕试验结论
这三种化学强化玻璃可按性能从差到好排序为：A、B 和 C。尽管所有玻璃均在沟槽边缘出现了首次裂纹失效，但只有 A 和 B 在最大划痕力小于 2 N 时会发生剥落。 此外，这三块样品的失效形态均相似，由此可得出结论：导致这三块样品上出现 Lc 1 和 Lc 2 的应力是相似的。
图8：3个玻璃样品的临界载荷汇总
结论
采用划痕试验技术，模拟了Gorilla®玻璃等化学强化玻璃在磨损和损伤方面的“最坏情况”场景。划痕试验过程中产生的应力提供了不同玻璃强度的信息，并可据此对用于制备这些样品的各种处理工艺进行排序。 图像分析与信号分析相结合，为深入理解玻璃破坏行为提供了最先进的手段。同一台仪器还被用于研究这些样品的磨损情况，尽管相关结果未在本报告中列出。
参考文献
1ASTMC 1624-05《通过定量单点划痕试验测定陶瓷涂层附着力及机械失效模式的标准试验方法》。
2ISO 20502《通过划痕试验测定陶瓷涂层的附着力》。
3《水土流失与泥沙控制管理系统》。澳大利亚麦夸里湖：1999年9月9日
