Nota de aplicación | Ensayos de resistencia al rayado
Ensayo de resistencia al rayado de protectores de pantalla para teléfonos
Investigación y ensayos experimentales
Stacey Pereira, Jocelyn Esparza & Pierre Leroux
Diseño visual y edición
Andrew Shore
Comprender la resistencia al rayado de los protectores de pantalla
Los recubrimientos protectores de las pantallas de teléfono cumplen un papel fundamental en la resistencia al rayado, la resistencia de la adhesión y la durabilidad a largo plazo. Con el tiempo, los rayones, las microfisuras y la delaminación del recubrimiento pueden reducir la claridad óptica y la fiabilidad, sobre todo con un uso intensivo. Para evaluar cómo resisten el daño mecánico distintos protectores de pantalla, el ensayo de rayado instrumentado aporta información cuantificable sobre los mecanismos de falla del recubrimiento, incluidos la adhesión, la cohesión y el comportamiento a la fractura.
En este estudio se utiliza el equipo de ensayos mecánicos NANOVEA PB1000 para comparar protectores de pantalla de TPU y de vidrio templado bajo carga progresiva controlada. Mediante una detección precisa de la emisión acústica, identificamos las cargas críticas de falla y caracterizamos cómo responde cada material a una tensión mecánica creciente.
Por qué importa el ensayo de resistencia al rayado en los protectores de pantalla
Muchos usuarios suponen que los protectores más gruesos o más duros rinden mejor automáticamente, pero la durabilidad real depende de cómo se comporta el material bajo carga progresiva, deformación superficial y tensión localizada. El ensayo de rayado instrumentado permite a los ingenieros medir la adhesión del recubrimiento, la resistencia cohesiva, la resistencia al desgaste superficial y las cargas exactas a las que las fallas se inician o se propagan.
Al analizar los puntos de inicio de grietas, el comportamiento de delaminación y los modos de falla, los fabricantes pueden validar el rendimiento de los protectores de pantalla para I+D, control de calidad o comparaciones. Los ensayos de nano y micro rayado ofrecen información repetible y basada en datos sobre la durabilidad real, mucho más allá de las clasificaciones de dureza tradicionales.
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Objetivo del ensayo de rayado: medir las cargas de falla en protectores de pantalla
El objetivo de este estudio es mostrar cómo el equipo de ensayos mecánicos NANOVEA PB1000 realiza ensayos de resistencia al rayado repetibles y normalizados tanto en protectores de pantalla poliméricos como de vidrio. Al aumentar progresivamente la carga aplicada, el sistema detecta las cargas críticas de falla cohesiva y adhesiva, capta las señales de emisión acústica y correlaciona estos eventos con la profundidad del rayado, la fuerza de fricción y la deformación superficial.
Esta metodología ofrece un perfil mecánico completo de cada recubrimiento protector y permite a los fabricantes y equipos de I+D evaluar formulaciones de materiales, la resistencia de la adhesión del recubrimiento, la durabilidad superficial y el espesor óptimo del recubrimiento para mejorar el rendimiento del producto. Estas evaluaciones de rayado forman parte de la amplia gama de soluciones de ensayos mecánicos de NANOVEA, utilizadas para caracterizar recubrimientos, películas y sustratos en I+D, control de calidad y producción.
NANOVEA PB1000 Large-Platform
Equipo de ensayos mecánicos
Parámetros del ensayo de rayado y configuración del equipo
La evaluación de la resistencia al rayado de los protectores de pantalla de TPU y de vidrio templado se realizó en condiciones controladas para garantizar la repetibilidad y una detección precisa de las cargas de falla. Los siguientes parámetros definen la configuración del ensayo de rayado con carga progresiva utilizada en el equipo de ensayos mecánicos NANOVEA PB1000.
| TIPO DE CARGA | PROGRESIVA |
|---|---|
| CARGA INICIAL | 0.1 N |
| CARGA FINAL | 12 N |
| VELOCIDAD DE DESLIZAMIENTO | 3,025 mm/min |
| DISTANCIA DE DESLIZAMIENTO | 3 mm |
| GEOMETRÍA DEL INDENTADOR | ROCKWELL (CONO DE 120°) |
| MATERIAL DEL INDENTADOR (PUNTA) | DIAMANTE |
| RADIO DE LA PUNTA DEL INDENTADOR | 50 µm |
| ATMÓSFERA | AIRE |
| TEMPERATURA | 24 °C (TEMP. AMBIENTE) |
TABLA 1: Parámetros utilizados en el ensayo de rayado
Muestras de protectores de pantalla utilizadas en el ensayo de resistencia al rayado
Se seleccionaron dos materiales de protector de pantalla disponibles en el mercado para comparar las diferencias en resistencia al rayado, comportamiento de falla y durabilidad mecánica. Ambas muestras se fijaron firmemente en el equipo de ensayos mecánicos NANOVEA PB1000 y se evaluaron en idénticas condiciones de carga progresiva para garantizar una comparación coherente e imparcial.
El protector de pantalla de TPU representa una película polimérica flexible con alta elasticidad pero menor resistencia a la abrasión, mientras que el protector de vidrio templado representa un material rígido y frágil diseñado para una alta dureza y una mayor protección contra impactos. Ensayar ambos materiales con el mismo perfil de carga permite evaluar con claridad cómo la composición, la elasticidad y la dureza del material influyen en los modos de falla por rayado.
Protector de pantalla de TPU
Vidrio templado
FIGURA 1: Protectores de pantalla de TPU y de vidrio templado preparados para el ensayo de resistencia al rayado.
Resultados del ensayo de rayado: modos de falla en protectores de pantalla de TPU y de vidrio templado
| TIPO DE PROTECTOR DE PANTALLA | CARGA CRÍTICA #1 (N) | CARGA CRÍTICA #2 (N) |
|---|---|---|
| TPU | n/a | 2.004 ± 0.063 |
| VIDRIO TEMPLADO | 3.608 ± 0.281 | 7.44 ± 0.995 |
TABLA 2: Resumen de las cargas críticas de cada muestra de protector de pantalla.
Como los protectores de pantalla de TPU y de vidrio templado tienen propiedades mecánicas fundamentalmente distintas, cada muestra mostró modos de falla y umbrales de carga crítica diferentes durante el ensayo de rayado con carga progresiva. La Tabla 2 resume las cargas críticas medidas para cada material.
La Carga Crítica #1 representa el primer punto observable de falla cohesiva al microscopio óptico, como el inicio de una grieta o una fractura radial.
La Carga Crítica #2 corresponde al primer evento importante detectado mediante el monitoreo de la emisión acústica (EA), que suele representar una falla estructural mayor o una perforación.
Protector de pantalla de TPU: comportamiento de polímero flexible
El protector de pantalla de TPU mostró un solo evento crítico significativo (Carga Crítica #2). Esta carga corresponde al punto de la huella de rayado en el que la película empezó a levantarse, despegarse o delaminarse de la superficie de la pantalla del teléfono.
Una vez superada la Carga Crítica #2 (≈2,00 N), el indentador penetró lo suficiente como para provocar un rayón visible directamente en la pantalla del teléfono durante el resto del ensayo. No se detectó ningún evento de Carga Crítica #1 separado, lo que concuerda con la alta elasticidad y la menor resistencia cohesiva del material.
Protector de pantalla de vidrio templado: comportamiento de falla frágil
El protector de pantalla de vidrio templado mostró dos cargas críticas diferenciadas, características de los materiales frágiles:
Carga Crítica #1 (≈3,61 N): se observaron al microscopio fracturas radiales e inicio de grietas, lo que indica una falla cohesiva temprana de la capa de vidrio.
Carga Crítica #2 (≈7,44 N): un gran pico de EA y un fuerte aumento de la profundidad del rayado indicaron la perforación del protector a cargas mayores.
Aunque la magnitud de la EA fue mayor que en el TPU, no se transmitió ningún daño a la pantalla del teléfono, lo que demuestra la capacidad del protector de vidrio templado para absorber y distribuir la carga antes de una falla catastrófica.
En ambos materiales, la Carga Crítica #2 correspondió al momento en que el indentador atravesó el protector de pantalla, lo que confirma el límite de protección de cada muestra.
Protector de pantalla de TPU: datos del ensayo de rayado y análisis de falla
| RAYADO | CARGA CRÍTICA #2 (N) |
|---|---|
| 1 | 2.033 |
| 2 | 2.047 |
| 3 | 1.931 |
| PROMEDIO | 2.003 |
| DESVIACIÓN ESTÁNDAR | 0.052 |
TABLA 3: Cargas críticas medidas durante el ensayo de rayado del protector de pantalla de TPU.
Protector de pantalla de vidrio templado: datos de carga crítica y comportamiento a la fractura
| RAYADO | CARGA CRÍTICA #1 (N) | CARGA CRÍTICA #2 (N) |
|---|---|---|
| 1 | 3.923 | 7.366 |
| 2 | 3.382 | 6.483 |
| 3 | 3.519 | 8.468 |
| PROMEDIO | 3.653 | 6.925 |
| DESVIACIÓN ESTÁNDAR | 0.383 | 0.624 |
TABLA 4: Cargas críticas medidas durante el ensayo de rayado del protector de pantalla de vidrio templado.
ℹ️ Para comparar con recubrimientos poliméricos no silicáticos, consulte nuestro estudio sobre el ensayo de desgaste de recubrimientos de PTFE, que destaca el comportamiento de falla de películas poliméricas de baja fricción en condiciones de carga progresiva similares.
Conclusión: comparación del rendimiento al rayado de protectores de pantalla de TPU y de vidrio templado
Este estudio demuestra cómo el equipo de ensayos mecánicos NANOVEA PB1000 ofrece mediciones de resistencia al rayado controladas, repetibles y muy sensibles mediante carga progresiva y detección de emisión acústica (EA). Al captar con precisión los eventos de falla cohesiva y adhesiva, el sistema permite comparar con claridad cómo se comportan los protectores de pantalla de TPU y de vidrio templado bajo una tensión mecánica creciente.
Los resultados experimentales confirman que el vidrio templado presenta cargas críticas significativamente mayores que el TPU, lo que proporciona una resistencia al rayado superior, un inicio de fractura más tardío y una protección fiable frente a la penetración del indentador. La menor resistencia cohesiva y la delaminación más temprana del TPU ponen de relieve sus limitaciones en entornos de alta tensión.
Tras identificar las cargas de falla, las huellas de rayado resultantes también pueden analizarse con un perfilómetro óptico 3D sin contacto para medir la profundidad del surco, la deformación residual y la topografía posterior al rayado. Esto ayuda a completar el perfil mecánico de cada material.
El equipo de ensayos mecánicos NANOVEA está diseñado para ensayos de indentación, rayado y desgaste precisos y repetibles, y admite módulos nano y micro conformes con ISO y ASTM. Su versatilidad lo convierte en una solución ideal para evaluar el perfil mecánico completo de películas delgadas, recubrimientos, polímeros, vidrios y sustratos en I+D, producción y control de calidad.
Preguntas frecuentes sobre los ensayos de resistencia al rayado
¿Qué es un ensayo de resistencia al rayado?
El ensayo de resistencia al rayado evalúa cómo responde un material o recubrimiento cuando una punta de diamante aplica una carga que aumenta progresivamente. El ensayo identifica las cargas críticas en las que se producen fallas cohesivas o adhesivas y ofrece una medida cuantificable de la durabilidad, la resistencia de la adhesión y la resistencia al daño superficial.
¿Cuál es la diferencia entre la falla cohesiva y la adhesiva?
La falla cohesiva se produce dentro del recubrimiento o del material, como fisuras, desgarros o fracturas internas.
La falla adhesiva ocurre cuando el recubrimiento se desprende del sustrato, lo que indica una fuerza de unión insuficiente.
El NANOVEA PB1000 detecta ambas mediante el monitoreo sincronizado de la emisión acústica, el seguimiento de la profundidad del rayado y el análisis de la fricción.
¿Por qué usar un equipo de ensayos mecánicos en lugar de métodos manuales?
Un equipo de ensayos mecánicos como el NANOVEA PB1000 ofrece mediciones precisas, repetibles y normalizadas, que garantizan datos fiables para I+D, validación de producción y control de calidad. Además, ofrece funciones avanzadas, como la detección de emisión acústica y el monitoreo de la profundidad en tiempo real, que los métodos manuales no pueden ofrecer.
¿Cómo se compara el ensayo de rayado instrumentado con la dureza 9H a lápiz de los protectores de pantalla?
La clasificación 9H proviene del ensayo de dureza a lápiz (ASTM D3363), una verificación cualitativa de pasa/no pasa que comprueba si lápices de grafito de dureza creciente marcan la superficie. El ensayo de rayado instrumentado desplaza una punta de diamante bajo una carga controlada que aumenta progresivamente, mientras registra la fuerza normal, la fricción, la profundidad de penetración y la emisión acústica. El resultado es una carga crítica cuantitativa para cada modo de falla, y la dureza al rayado puede calcularse a partir del ancho residual del rayado según ASTM G171.
¿Qué normas se aplican al ensayo de rayado de recubrimientos, vidrio y polímeros?
Los métodos habituales incluyen ASTM C1624 e ISO 20502 para la resistencia de la adhesión y los modos de falla de recubrimientos cerámicos y duros, ASTM D7027 para la resistencia al rayado de recubrimientos poliméricos y plásticos, y ASTM G171 para la dureza al rayado con punta de diamante. Los equipos de ensayos mecánicos NANOVEA pueden configurarse con los perfiles de carga, las geometrías de indentador y los canales de medición que requieren estos procedimientos.
¿Cuándo se usa el nano rayado en lugar del micro rayado?
La elección depende del espesor del recubrimiento y de la carga a la que se produce la falla. El nano rayado aplica cargas del orden de milinewtons con puntas de radio fino a películas funcionales delgadas, como los recubrimientos antirreflejo, antihuellas y duros del vidrio de cubierta, donde la falla comienza en las primeras micras. El micro rayado aplica cargas del orden de newtons con puntas Rockwell más grandes a películas más gruesas, protectores laminados y vidrio macizo. El NANOVEA PB1000 combina módulos nano y micro en una sola plataforma, de modo que ambos regímenes pueden medirse en la misma muestra.
¿Qué detecta la emisión acústica durante un ensayo de rayado?
Un sensor de emisión acústica capta las ondas elásticas de alta frecuencia que se liberan cuando se forman grietas, se propaga una fractura o un recubrimiento se delamina. Es especialmente valioso en materiales frágiles como el vidrio y los recubrimientos cerámicos, donde el daño puede comenzar bajo la superficie u ocurrir demasiado rápido para identificarlo solo con las señales de fricción y profundidad. Correlacionar los picos de emisión acústica con la fricción, la profundidad y la microscopía posterior al ensayo permite determinar la carga exacta a la que comienza cada falla.
