化学钢化玻璃的抗划性能应用报告

导言 自2008年康宁®大猩猩®玻璃问世以来，一直被用作智 能手机屏幕。 2020年Victus®版本的大猩猩®玻璃的发布显示出，这 类材料的开发仍需持续不断的努力。 研发具有抗划和抗冲击性能并可以保护智能手机的钢 化玻璃是非常重要的。这类玻璃需具备足够的表面强 度、控制缺陷和抗划伤能力。 除消费类电子产品外，化学钢化玻璃还应用于工业、 汽车、航空、建筑和制药等领域。

测试问题 智能手机要求玻璃屏幕能被重复触滑，并且与其他尖 锐物品如钥匙一起存放。 玻璃制造商致力于研究更坚固、更耐划伤的材料来供 智能手机制造商使用。高品质的化学钢化玻璃需要能 够抵抗来自表面接触物或颗粒的划伤。 使用玻璃等脆性材料的挑战在于，必须增加弹性的同 时降低脆性，才能实现其应用中所需的功能。划痕测 试是测量这类产品抗划性能的最好选择，可以带来更 多的信息，从而可以帮助研究人员和质量控制工程师 改进和控制玻璃产品的质量。

测试原理 在涂层待测区域上方，通过拖动已知形状的金刚石划 痕头来产生划痕。当划痕头沿样品表面移动时，施加 在顶端上的法向载荷线性增加，导致接触应力增加， 使接触条件更加恶劣。

在测试之后，对整个划痕进行三维形貌扫描，来分析 变形和失效模式。

涂层失效时对应的法向力称为临界载荷。通过使用图 像或图像与信号（例如声发射）结合来测量临界载 荷。 在划痕测试过程，可以记录多个信号，从而使研究人 员将关注的材料性能与传感器信号关联起来。

测试条件 使用SMT-5000对三种不同的化学钢化玻璃进行划痕测 试。 本测试报告是模拟沙子或坚硬物体对玻璃屏幕造成的 损伤。恶劣的情况可能是直径为20微米的石英粒对 表面的破坏。因此选择半径为20微米的金刚石划痕头 来进行实验。 测试参数汇总见表1。

测试结果  在所有测试中，随着法向载荷的增加，玻璃表面至少 产生一种类型的失效，如划痕任意一侧产生了裂纹。 其中两个样品在出现上述失效模式之后，又产生了另 一种失效形式-材料*剥落并*失效。当法向载 荷增加到2N时，样品A的磨痕深度和摩擦系数如图4所 示。 在这种情况下，玻璃产生了两种类型的失效：

• Lc1：划痕两侧出现裂纹

 • Lc2：玻璃剥离并*失效

可以在明场图像上清楚地观察到所有样品的第一种失 效模式(Lc1)，如图7所示。在划痕测试后，采集到的 信息记录了整个划痕的高度和明场强度。这些完整的 数据包含了玻璃样品失效模式Lc1和Lc2相关的信息。

材料表面性能综合测试平台SMT-5000，带有自动 三维形貌技术，提供了共聚焦和明场成像能力。 1 ASTM C 1624-05 “Standard test method for adhesion strength  and mechanical failure modes of ceramic coatings by quantitative  single point scratch testing." 2  ISO 20502 “Determination of adhesion of ceramic coatings by  scratch testing." 3 Erosion and Sediment Control Management System. Lake  Macquarie, Australia: 9 September 1999

玻璃样品临界载荷总结如图8所示。

如图所示，玻璃A和玻璃B产生了对应Lc2的材料剥离 失效模式，但是玻璃C没有产生此类失效，所以性能 *。所有玻璃样品在划痕两侧产生了对应Lc1的裂 纹失效模式，但是玻璃B的临界载荷高于玻璃A，所以 玻璃B性能比玻璃A强。因此，这三种化学钢化玻璃性 能从低到高排序依次为：A<B<C。

结论 划痕测试技术用来模拟“特殊条件"下化学钢化玻 璃，如大猩猩®玻璃，所受的的磨损和破坏。划痕过 程中，应力造成的不同失效形式，可以提供玻璃强度 的信息，并可以对这些玻璃样品的生产工艺进行排 序。图像和信号结合是先进的分析玻璃失效行为的 方法。 本报告中提到的SMT-5000也可以研究玻璃样品的耐 磨特性。

 设备： 材料表面性能综合测试平台:SMT-5000