카테고리: 애플리케이션 노트

Stent Coating Adhesion and Delamination Analysis Using Nano Scratch Testing

Application Note | Stent Coating Adhesion Testing

Stent Coating Adhesion and Delamination Analysis Using Nano Scratch Testing

Quantifying Coating Failure and Adhesion Performance on Drug-Eluting Stents

Research & Experimental Testing

Duanjie Li, PhD

Visual Design & Editorial

앤드류 쇼어

소개

Blood is carried through arteries from the heart to the rest of the body. Any weakening or blockage of these vessels can pose significant health risks and may become life-threatening. A stent is a small mesh tube inserted into the lumen of a blood vessel to treat narrowed or weakened arteries. Stent implantation is now a widely used procedure to support the arterial wall and restore blood flowᶦ.

Metal stent mesh geometry illustrating the structural complexity of vascular implant design.

Why coating adhesion matters in drug-eluting stents

Drug-eluting stents represent a major advancement in stent technology. They incorporate a biodegradable, biocompatible polymer coating that enables controlled drug release at the arterial site, helping to inhibit intimal thickening and reduce the risk of restenosisᶦᶦ.

A critical concern in these systems is the delamination of the polymer coating from the metallic stent substrate. This coating carries the drug-eluting layer, and its adhesion directly impacts device performance and reliability.

To improve coating adhesion, stents are often designed with complex geometries. In this study, the polymer coating is located at the bottom of grooves within the stent mesh. This configuration presents a significant challenge for adhesion measurement.

A reliable method is required to quantitatively evaluate the interfacial strength between the polymer coating and the metal substrate. The small diameter of the stent mesh, comparable to a human hair, combined with its three-dimensional geometry, requires:

ultrafine X-Y positioning accuracy
precise control of applied load
accurate depth measurement during testing

ℹ️ 자세히 알아보기 nanoindentation and scratch testing lab services for coating adhesion and failure analysis.

Measurement Method

Nano scratch testing is performed using the 나노베아 PB1000 기계식 테스터, in Nano Scratch Mode, to evaluate the cohesive and adhesive strength of the polymer coating on the metal mesh of stent samples.

Controlled scratch measurements are carried out on stent geometries with dimensions comparable to a human hair, enabling precise evaluation of coating adhesion on complex stent structures.

나노비아 PB1000 Advanced

기계 테스터

테스트 조건

1. Regular Stent Samples

The stent is fixed on the sample stage, with a support wire inserted inside the stent tube to ensure stability during nano scratch testing. The NANOVEA Mechanical Tester is used to perform nano scratch measurements using the parameters summarized in Table 1, to evaluate the cohesive and adhesive strength of the polymer coating on the metal substrate.

Parameter	Value
Load type	프로그레시브
Initial load	0.05 mN
Final load	300 and 100 mN
Sliding speed	0.5 mm/min
Sliding distance	0.5 mm
Indenter geometry	원뿔형
Indenter material (tip)	다이아몬드
들여쓰기 팁 반경	20 µm
온도	24°C (room)

표 1: Test parameters for nano scratch measurements on regular stent samples

2. Grooved Stent Samples

The SEM image in Fig. 1 shows the cross-section of the stent sample. The stent features a groove with a depth of approximately 30 µm. The polymer coating, with a thickness of 10.8 µm, is located at the bottom of the groove.

Standard 60° conical diamond tips are not sharp enough to reach the bottom of the groove without contacting the sidewalls. Therefore, a sharper 40° conical diamond tip is used in this study (Fig. 2).

Nano scratch measurements are performed using the parameters summarized in Table 2.

Parameter	Value
Load type	프로그레시브
Initial load	0.1 mN
Final load	300 mN
로딩 속도	300 mN/min
Scratch length	0.25 mm
Scratch speed	0.25 mm/min
Indenter geometry	40° cone
Indenter material (tip)	다이아몬드
들여쓰기 팁 반경	5 µm

Table 2: Test parameters for nano scratch measurements on grooved stent samples

Fig. 1: SEM cross-section of a grooved stent showing polymer coating located at the bottom of the groove, highlighting the challenge of coating adhesion measurement in recessed geometries.

Fig. 2: Schematic of a 40° conical diamond tip designed for nano scratch testing inside stent grooves, enabling accurate adhesion measurement without sidewall interference.

결과 및 토론

The stent mesh has a diameter of approximately 100 μm, comparable to a human hair. Precise positioning is therefore critical to ensure the scratch test is performed at the center of the stent mesh. The NANOVEA Mechanical Tester provides X–Y positioning accuracy down to 0.25 μm, enabling accurate test placement under the integrated optical microscope.

1. Regular Stent Samples

Nano scratch testing is performed with a progressively increasing load up to 300 mN. The full scratch track on the stent is shown in Fig. 3a, while failure behavior at different stages is presented in Fig. 3b and 3c.

Two critical loads are identified:

Lc1: the load at which the first visible damage appears on the coating
Lc2: the load at which the coating is fully removed and the substrate is exposed

The evolution of coefficient of friction (COF) and penetration depth is shown in Fig. 4, providing insight into the progression of coating failure during the test.

The first signs of coating damage appear at Lc1 ≈ 14.5 mN. As the applied load increases, the diamond tip progressively penetrates the polymer coating, resulting in a wider and deeper scratch track. During this phase, the COF increases from approximately 0.05 to 0.7.

At Lc2 ≈ 78.1 mN, the coating is fully delaminated from the metal substrate. Beyond this point, as the load continues to increase, both COF and penetration depth remain relatively stable due to the mechanical support of the underlying metal substrate.

(a) Full Scratch Track

(b) Lc1 ≈ 14.5 mN

Fig. 3: Nano scratch track on a stent coating under progressively increasing load, showing (a) full scratch path, (b) initial coating failure at Lc1 ≈ 14.5 mN, and (c) complete coating delamination at Lc2 ≈ 78.1 mN.

Fig. 4: Evolution of coefficient of friction (COF) and penetration depth during nano scratch testing of a stent coating under progressively increasing load, showing the progression of coating failure and transition to substrate support.

Failures during nano scratch testing up to a maximum load of 300 mN occur at critical loads below 100 mN. To enable a more quantitative comparison of coating performance, additional tests are performed with a maximum load of 100 mN on two stent samples, referred to as Sample 1 and Sample 2.

Fig. 5 compares the scratch tracks of Sample 1 and Sample 2 after nano scratch testing. Sample 1 exhibits the first sign of coating damage at a critical load of Lc1 ≈ 13.2 mN, while Sample 2 shows initial failure at a higher load of Lc1 ≈ 21.1 mN.

Coating delamination occurs at 62.5 mN for Sample 1. In contrast, the coating on Sample 2 remains intact throughout the test, continuing to protect the metal substrate under the same loading conditions.

This behavior is further reflected in the evolution of coefficient of friction (COF) and penetration depth, as shown in Fig. 6. When the diamond tip penetrates through the coating and contacts the metal substrate in Sample 1, the COF reaches a peak while the penetration depth decreases due to the increased stiffness of the underlying substrate.

(a) Sample 1 – Early Coating Failure

(b) Sample 2 – Improved Coating Integrity

Fig. 5: Comparison of nano scratch tracks for two stent coatings, showing (a) early coating failure and delamination in Sample 1, and (b) improved coating integrity in Sample 2 under the same loading conditions.

Fig. 6: Comparison of coefficient of friction (COF) and penetration depth for Sample 1 and Sample 2 during nano scratch testing, showing earlier substrate contact and higher friction response in Sample 1, indicating weaker coating adhesion.

2. Grooved Stent Samples

As shown in Fig. 1 and Fig. 7, the grooved stent mesh has a diameter of approximately 90 μm, comparable to a human hair. The groove has a width of ~50 μm and a depth of 30 μm. This geometry presents a significant challenge for nano scratch testing, particularly for evaluating coating adhesion at the bottom of the groove.

Precise positioning is critical to locate the scratch test within the groove. The nano scratch test is performed with a progressively increasing load up to 300 mN. The full scratch tracks of grooved stent Samples 3 and 4 are compared in Fig. 7.

The critical load Lc is defined as the load at which the coating fails and the substrate becomes exposed. The evolution of normal load and penetration depth, shown in Fig. 8, provides further insight into the progression of coating failure during testing.

As the applied load increases, the diamond tip progressively penetrates the polymer coating, resulting in a deeper scratch track. When the critical load Lc is reached, the coating delaminates from the metal substrate.

Sample 3 exhibits coating failure at Lc ≈ 126 mN, while Sample 4 fails at a higher load of Lc ≈ 173 mN. This difference indicates stronger adhesion of the coating in Sample 4.

The measured critical loads enable quantitative comparison of coating adhesion performance. Under the same testing conditions, the coating on Sample 4 demonstrates higher resistance to delamination, making it the better-performing candidate in this study.

(d) Sample 4 – Higher Adhesion in Groove (Lc ≈ 173 mN)

Fig. 7: Nano scratch tracks inside stent grooves for Samples 3 and 4, showing (c) coating failure at Lc ≈ 126 mN in Sample 3 and (d) higher adhesion with delayed failure at Lc ≈ 173 mN in Sample 4.

(a) Sample 3 – Earlier Coating Failure (Lc ≈ 126 mN)

(b) Sample 4 – Delayed Failure and Higher Adhesion (Lc ≈ 173 mN)

Fig. 8: Evolution of normal load and penetration depth during nano scratch testing inside stent grooves for Samples 3 and 4, showing earlier coating failure in Sample 3 and delayed failure at higher load in Sample 4. The vertical green line indicates the critical load (Lc) where coating delamination occurs.

결론

This study demonstrates the ability of the NANOVEA Mechanical Tester to quantitatively evaluate the cohesive and adhesive strength of polymer coatings on both regular and grooved stent geometries using nano scratch testing.

The recessed geometry of the stent grooves, approximately 50 μm wide and 30 μm deep, presents a significant challenge for coating adhesion measurement. The high X–Y positioning accuracy of 0.25 μm enables precise placement of the scratch test within these confined regions, allowing direct evaluation of coating performance where failure is most critical.

By applying a controlled, progressively increasing load, critical loads associated with coating failure can be identified and compared across samples. This approach enables reliable differentiation of coating adhesion performance and interfacial integrity, even on small, complex stent structures.

참조

[I] http://www.nhlbi.nih.gov/health/health-topics/topics/stents
[II] http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1405-99402006000300008

Frequently Asked Questions About Stent Coating Adhesion Testing

What is stent coating adhesion testing?

Stent coating adhesion testing evaluates how strongly a polymer coating is bonded to the metal substrate of a stent. Techniques such as nano scratch testing quantify the load at which coating damage and delamination occur, providing measurable indicators of adhesion strength.

What is critical load (Lc) in nano scratch testing?

Critical load (Lc) is the applied load at which a coating fails during a scratch test.

Lc1 corresponds to the first visible damage in the coating
Lc2 indicates complete coating removal and exposure of the substrate

These values are used to quantify and compare coating adhesion performance.

Why is coating adhesion important in drug-eluting stents?

Coating adhesion directly affects the reliability of drug-eluting stents. Poor adhesion can lead to coating delamination, which may compromise controlled drug release and increase the risk of device failure.

How do you measure coating adhesion inside stent grooves?

Measuring adhesion inside stent grooves requires high positioning accuracy and appropriate indenter geometry. Nano scratch testing with sharp diamond tips allows access to recessed coating regions, enabling direct evaluation of adhesion within complex stent geometries.

What does coefficient of friction (COF) indicate in scratch testing?

The coefficient of friction (COF) reflects changes in surface interaction during the scratch test. A sudden increase in COF often indicates coating failure and contact between the indenter and the underlying metal substrate.

How can nano scratch testing compare different coating formulations?

Nano scratch testing enables direct comparison of coatings by measuring critical loads under controlled conditions. Higher critical loads indicate stronger adhesion and improved resistance to delamination, allowing selection of better-performing coating systems.

Need Reliable Stent Coating Adhesion Testing?

Dental Surface Roughness Measurement & 3D Tooth Topography

Application Note | Dental Surface Characterization

Dental Surface Roughness Measurement and Full 3D Tooth Topography

Surface Roughness Analysis Using Non-Contact Optical Profilometry

작성자

Walter Alabiso, PhD; Davide Morrone, MPhys; Andrew Shore, MA

소개

The ability to accurately characterize tooth surfaces, including micro-roughness and 3D surface topography at the nanometer scale, enables advanced research and applications in orthodontics and dental materials science. Non-contact optical profilometry provides a precise method for measuring dental surface roughness and analyzing tooth surface morphology without damaging delicate structures. These measurements support the development of composite dental materials that replicate the natural surface roughness of enamel, as well as the design and fabrication of patient-specific dental casts and restorative components.

Low surface roughness plays a primary role in limiting bacterial adhesion and plaque formation, thereby reducing the risk of cavities. An increase in average roughness (Ra) above 2 µm leads to a steep increase in biofilm formation in vivo.¹ An Ra of 0.2 µm is considered the threshold value below which no further reduction in bacterial adhesion can be expected.²

Reconstruction of the tooth’s 3D surface topography enables the fabrication of dental casts, which are essential for accurate diagnosis, treatment planning, and the fabrication of dental appliances.

Non-Contact Optical Profilometry for Dental Surface Analysis

The present study illustrates the potential of NANOVEA’s high-precision non-contact optical profilometers for dental surface roughness measurement and 3D tooth topography analysis. Chromatic Light technology offers significant advantages over classical touch probe techniques. It acquires data points from deep crevices and complex geometries without introducing measurement errors or artifacts caused by local plastic deformation and without requiring extensive data manipulation.

Compared to focus variation systems, single-point optical sensing provides superior lateral and height accuracy, with X/Y resolution below 0.5 µm, maximum vertical resolution of 1.9 nm, and the ability to measure surface angles up to 87°. The technique is effective on transparent, opaque, specular, diffusive, polished, and rough dental surfaces, making it well suited for comprehensive dental surface characterization.

ℹ️ 자세히 알아보기 non-contact optical profilometry and surface roughness measurement services.

Measurement Method

이 애플리케이션에서는 NANOVEA JR25 Non-Contact Optical Profiler was used to analyze the surface roughness and 3D surface topography of an adult human molar previously affected by tooth decay. The side of the tooth was scanned using a PS2–MG140 single-point optical sensor to measure surface roughness parameters over a defined region of interest and along multiple line profiles.

The crown of the tooth was then scanned and reconstructed using a PS5–MG35 single-point optical sensor, which is suited for larger-area acquisition and full 3D tooth topography measurement.

나노비아 JR25 Portable
광학 프로파일로미터

Surface Measurement Using NANOVEA Optical Profilometer

Surface roughness measurements were performed on the lateral side of the molar crown, followed by full 3D reconstruction of the crown surface. Separate single-point optical sensors were used to optimize measurement accuracy for both localized roughness analysis and large-area surface topography acquisition.

PS2 – MG140

Surface roughness analysis by area and parallel line profiles on the side of the tooth’s crown.

PS5 – MG35

Full 3D surface reconstruction of the tooth’s crown.

측정 매개변수

The following measurement parameters were used for localized surface roughness analysis and full 3D surface reconstruction of the molar crown using NANOVEA single-point optical sensors.

Parameter	Roughness Analysis (Area)	Roughness Analysis (Profiles)	Full 3D Reconstruction
Optical Pen	PS2-MG140	PS2-MG140	PS5-MG35
Z-Range [µm]	300	300	10000
X-Distance [mm]	2.00	3.00	7.50
X-Step Size [µm]	1.70	1.70	10.00
Y-Distance [mm]	2.00	1.00	7.00
Y-Step Size [µm]	1.70	100.00	10.00
Average (Avg)	1	1	1
Measurement Type	Direct	Direct	Direct
Acquisition Mode	Single Frequency	Single Frequency	Double Frequency
Acquisition Rate [Hz]	200	200	100–400
Light Intensity [%]	100	100	100

Optical Profilometry Results

Surface Roughness Analysis (Area)

The PS2 single-point optical sensor was used to investigate fine surface features on the side of the tooth. The image below shows a false-color 2D surface map of the scanned region obtained by non-contact optical profilometry.

A least-squares degree-8 polynomial form removal was applied to isolate the surface roughness component. The roughness filters S-Gaussian 2.5 µm and L-Gaussian 0.8 mm were then applied according to ISO 25178. The resulting filtered surface and corresponding roughness parameters are presented below.

ISO 25178 – Roughness (S-L)
S-filter (λs): Gaussian, 2.5 µm
F: [Workflow] Form removed (LS-poly 8)
L-filter (λc): Gaussian, 0.8 mm
Height Parameters
Sq	2.433	µm	제곱 평균 제곱근 높이
Ssk	-0.102		기울기
SKU	3.715		첨도
Sp	18.861	µm	최대 피크 높이
Sv	16.553	µm	Maximum pit depth
Sz	35.414	µm	최대 높이
Sa	1.888	µm	산술 평균 높이

The average surface roughness Sa is 1.888 µm, while the peak-to-valley height Sz reaches 35.414 µm.

A 3D surface rendering of the filtered area is shown below for visualization.

Roughness Analysis (Profiles)

Surface roughness profiles were measured using a series of 11 parallel line scans along the X direction on the side of the tooth. The false-color 2D surface map of the raw scan is shown below.

The surface form was removed using a least-squares 8-degree polynomial prior to applying the metrological filters, leaving the residual surface shown below.

A statistical analysis of the measured surface roughness profiles reveals the following line roughness parameters.

		Description	Mean	Std dev	Min	Max
ISO 4287 – Roughness (S-L)
F: 없음
S-filter (λs): Gaussian, 2.5 µm
L-filter (λc): Gaussian, 0.8 mm
Evaluation length: All λc (3)
Amplitude Parameters – Roughness Profile
Rp	µm	Maximum peak height of the roughness profile	5.683	0.761	4.315	6.610
Rv	µm	Maximum valley depth of the roughness profile	6.242	1.009	4.701	8.438
Rz	µm	Maximum height of roughness profile	11.925	1.676	9.123	15.048
Ra	µm	Arithmetic mean deviation of the roughness profile	2.063	0.297	1.710	2.629
Rq	µm	Root-mean-square (RMS) deviation of the roughness profile	2.523	0.361	2.057	3.175

F: 없음

S-filter (λs): Gaussian, 2.5 µm

L-filter (λc): Gaussian, 0.8 mm

Evaluation length: All λc (3)

The value of Ra is consistent with the Sa value extracted from the surface area measurement.

Different metrological filters can be applied to distinguish between macroscopic waviness and microscopic surface roughness. For example, a coarser filter cut-off, such as the 8 mm cut-off used with the Robust Gaussian order-2 filter, produces a smoother waviness profile (red) that is less sensitive to sharp local variations and follows the original surface profile more loosely.

Alternatively, a finer cut-off (e.g., 0.08 mm) enables the analysis of micro-roughness by removing the waviness component that follows the original profile at a larger scale, leaving the finer surface roughness features of the tooth visible.

The microroughness analysis obtained using a 0.08 mm L-Gaussian filter is presented below.

		Description	Mean	Std dev	Min	Max
ISO 4287 – Roughness (S-L)
F: 없음
S-filter (λs): Gaussian, 2.5 µm
L-filter (λc): Gaussian, 0.08 mm
Evaluation length: All λc (37)
Amplitude Parameters – Roughness Profile
Rp	µm	Maximum peak height of the roughness profile	1.582	0.122	1.342	1.748
Rv	µm	Maximum valley depth of the roughness profile	1.466	0.119	1.254	1.661
Rz	µm	Maximum height of roughness profile	3.049	0.196	2.820	3.409
Ra	µm	Arithmetic mean deviation of the roughness profile	0.495	0.047	0.423	0.597
Rq	µm	Root-mean-square (RMS) deviation of the roughness profile	0.643	0.056	0.562	0.762

F: 없음

S-filter (λs): Gaussian, 2.5 µm

L-filter (λc): Gaussian, 0.8 mm

Evaluation length: All λc (3)

Full 3D Tooth Surface Topography Reconstruction

The extended Z-scan range of the PS5 optical sensor enables high-fidelity scanning of the entire tooth crown surface. The resulting 3D surface topography is shown below.

2D VIEW: 2D surface map of the tooth crown measured with optical profilometry

3D VIEW: High-fidelity 3D rendering of the molar crown surface obtained with optical profilometry

결론

In this application, the NANOVEA JR25 Non-Contact Optical Profiler was used to measure the surface roughness and 3D surface topography of an adult human molar.

Both the area scan and the line profile analysis revealed a roughness Rq of approximately 2.5 µm and an Ra of about 1.9–2.0 µm. These values are consistent with results reported in the literature.³ The use of a narrower L-Gaussian filter with an 80 µm cut-off enabled further investigation of micro-roughness, revealing an Rq of 0.643 µm and an Ra of 0.495 µm.

The full 3D surface topography of the molar crown was reconstructed with high fidelity. The high measurement resolution allows detection of fine surface features and crevices. The resulting surface data can be easily processed and exported as STL files, enabling the design and fabrication of customized dental devices and restorative components.

참조

[1] Shin, B.W., et al. Surface Roughness of Prefabricated Pediatric Zirconia Crowns Following Simulated Toothbrushing. Pediatric Dentistry 44.5 (2022): 363–367.
[2] Bollen, C.M.L., Paul Lambrechts, and Marc Quirynen. Comparison of surface roughness of oral hard materials to the threshold surface roughness for bacterial plaque retention: A review of the literature. Dental Materials 13.4 (1997): 258–269.
[3] Suputtamongkol, K., et al. Surface roughness resulting from wear of lithia-disilicate-based posterior crowns. Wear 269.3–4 (2010): 317–322.

Frequently Asked Questions About Dental Surface Roughness Measurement

What is dental surface roughness measurement?

Dental surface roughness measurement quantifies the microscopic texture of tooth surfaces using parameters such as Ra, Rq, and Sa. Optical profilometers measure these features without contacting the surface, allowing accurate analysis of enamel, restorative materials, and dental crowns.

Why use optical profilometry to measure tooth roughness?

Optical profilometry provides non-contact surface measurement with nanometer-scale vertical resolution. It captures 2D surface maps and full 3D surface topography of dental structures without damaging soft or polished surfaces.

What roughness parameters are used for dental surface analysis?

Common roughness parameters include Ra (arithmetic mean roughness), Rq (root mean square roughness), Sa (areal roughness), and Sz (maximum surface height). These parameters help evaluate enamel wear, plaque adhesion risk, and the performance of restorative materials.

Why is surface roughness important in dentistry?

Surface roughness affects plaque retention, wear resistance, and the long-term performance of dental restorations. Controlling micro-roughness can reduce bacterial adhesion and improve the durability of dental materials.

Need Reliable Surface Roughness Measurement for Dental Materials?

휴대폰 화면 보호기의 스크래치 내성 테스트

작성자

스테이시 페레이라, 조슬린 에스파르자, 피에르 르루

휴대폰 화면 보호기의 스크래치 방지 기능 이해하기

휴대폰 화면의 보호 코팅은 긁힘 방지, 접착 강도 및 장기적인 내구성에 중요한 역할을 합니다. 시간이 지남에 따라 스크래치, 미세 균열 및 코팅 박리는 특히 사용 빈도가 높은 환경에서 광학 선명도와 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있습니다. 다양한 화면 보호기가 기계적 손상에 어떻게 저항하는지 평가하기 위해 계측 스크래치 테스트를 통해 접착력, 응집력 및 파손 거동을 포함한 코팅 고장 메커니즘에 대한 정량적인 통찰력을 얻을 수 있습니다.

이 연구에서는, 나노베아 PB1000 기계식 테스터 는 제어된 점진적 하중 하에서 TPU와 강화유리 화면 보호기를 비교하는 데 사용됩니다. 정밀한 음향 방출 감지를 사용하여 임계 고장 하중을 식별하고 각 소재가 증가하는 기계적 스트레스에 어떻게 반응하는지 특성화합니다.

화면 보호기에 스크래치 내성 테스트가 중요한 이유

많은 사용자가 더 두껍거나 단단한 프로텍터가 자동으로 더 나은 성능을 발휘한다고 생각하지만 실제 내구성은 점진적인 하중, 표면 변형 및 국소 응력 하에서 재료가 어떻게 작동하는지에 따라 달라집니다. 엔지니어는 계측식 스크래치 테스트를 통해 코팅 접착력, 응집 강도, 표면 내마모성, 고장이 시작되거나 전파되는 정확한 하중을 측정할 수 있습니다.

제조업체는 균열 시작 지점, 박리 현상 및 고장 모드를 분석하여 R&D, 품질 관리 또는 비교 벤치마킹을 위해 화면 보호기 성능을 검증할 수 있습니다. 나노 및 마이크로 스크래치 테스트는 기존의 경도 등급을 훨씬 뛰어넘는 실제 내구성에 대한 반복 가능한 데이터 기반 인사이트를 제공합니다.

ℹ️ 자세히 알아보기 코팅 및 화면 보호기용 스크래치 및 접착력 테스트 서비스입니다.

스크래치 테스트 목표:
화면 보호기의 고장 부하 측정하기

이 연구의 목적은 나노베아 PB1000 기계식 테스터가 폴리머 및 유리 화면 보호기 모두에 대해 반복 가능하고 표준화된 스크래치 저항 테스트를 수행하는 방법을 입증하는 것입니다. 이 시스템은 적용된 하중을 점진적으로 증가시킴으로써 응집력 및 접착 실패에 대한 임계 하중을 감지하고 음향 방출 신호를 캡처하며 이러한 이벤트를 스크래치 깊이, 마찰력 및 표면 변형과 상호 연관시킵니다.

이 방법론은 각 보호 코팅의 완전한 기계적 프로파일을 제공하여 제조업체와 R&D 팀이 제품 성능 향상을 위해 재료 배합, 코팅 접착 강도, 표면 내구성 및 최적의 코팅 두께를 평가할 수 있도록 합니다. 이러한 스크래치 평가는 나노베아의 광범위한 제품군의 일부입니다. 기계 테스트 솔루션 R&D, 품질 관리 및 생산 환경 전반에서 코팅, 필름 및 기판의 특성을 분석하는 데 사용됩니다.

나노비아 PB1000 대형 플랫폼
기계 테스터

스크래치 테스트 파라미터 및 계측기 설정

TPU 및 강화유리 화면 보호기의 스크래치 저항성 평가는 반복성과 정확한 고장 하중 감지를 보장하기 위해 통제된 조건에서 수행되었습니다. 다음 매개변수는 나노베아 PB1000 기계식 테스터에 사용된 점진적 부하 스크래치 테스트 설정을 정의합니다.

로드 유형	프로그레시브
초기 로드	0.1 N
최종 로드	12 N
슬라이딩 속도	3.025mm/min
슬라이딩 거리	3mm
들여쓰기 기하학	로크웰(120° 원뿔)
들여쓰기 재료(팁)	다이아몬드
들여쓰기 팁 반경	50 µm
대기권	AIR
온도	24°C(실온)

표 1: 스크래치 테스트에 사용되는 테스트 매개변수

프로그레시브 하중 스크래치 측정 중 NANOVEA PB1000 기계식 테스터에 장착된 화면 보호기 샘플.

스크래치 방지 테스트에 사용되는 화면 보호기 샘플

스크래치 저항성, 고장 동작 및 기계적 내구성의 차이를 비교하기 위해 시중에서 판매되는 두 가지 화면 보호기 소재를 선택했습니다. 일관되고 편향되지 않은 비교를 위해 두 샘플을 NANOVEA PB1000 기계식 테스터에 단단히 장착하고 동일한 점진적 부하 조건에서 평가했습니다.

TPU 화면 보호기는 탄성은 높지만 내마모성이 낮은 유연한 고분자 필름이며, 강화 유리 보호기는 경도가 높고 충격 보호 기능이 강화되도록 설계된 단단하고 깨지기 쉬운 소재를 나타냅니다. 동일한 하중 프로파일에서 두 소재를 테스트하면 소재 구성, 탄성 및 경도가 스크래치 고장 모드에 미치는 영향을 명확하게 평가할 수 있습니다.

TPU 화면 보호기

강화 유리

그림 1: 긁힘 방지 테스트를 위해 준비된 TPU 및 강화 유리 화면 보호기.

스크래치 테스트 결과: TPU와 강화유리 화면 보호기의 고장 모드 비교

화면 보호기 유형	임계 부하 #1(N)	임계 부하 #2 (N)
TPU	n/a	2.004 ± 0.063
강화 유리	3.608 ± 0.281	7.44 ± 0.995

표 2: 각 화면 보호기 샘플에 대한 임계 부하 요약.

TPU와 강화유리 화면 보호기는 근본적으로 다른 기계적 특성을 가지고 있기 때문에 각 샘플은 점진적 하중 스크래치 테스트 중에 뚜렷한 고장 모드와 임계 하중 임계값을 나타냈습니다. 표 2에는 각 소재에 대해 측정된 임계 하중이 요약되어 있습니다.

임계 하중 #1은 균열 시작 또는 방사형 골절과 같이 광학 현미경으로 관찰 가능한 응집 실패의 첫 번째 지점을 나타냅니다.

임계 부하 #2는 음향 방출(AE) 모니터링을 통해 감지된 첫 번째 주요 이벤트에 해당하며, 일반적으로 더 큰 구조적 고장 또는 침투 이벤트를 나타냅니다.

TPU 화면 보호기 - 유연한 폴리머 동작

TPU 화면 보호기는 단 한 번의 중요한 중요 이벤트(중요 하중 #2)만 나타났습니다. 이 하중은 스크래치 트랙을 따라 필름이 휴대폰 화면 표면에서 들어 올려지거나 벗겨지거나 박리되기 시작한 지점에 해당합니다.

임계 하중 #2(≈2.00N)를 초과하면 압자가 충분히 관통하여 나머지 테스트 기간 동안 휴대폰 화면에 직접 스크래치가 생겼습니다. 소재의 높은 탄성과 낮은 응집력으로 인해 별도의 임계 하중 #1 이벤트는 감지되지 않았습니다.

강화 유리 화면 보호기 - 깨지기 쉬운 고장 동작

강화유리 화면 보호기는 깨지기 쉬운 소재의 특징인 두 가지 임계 하중을 보여주었습니다:

임계 하중 #1(≈3.61N): 현미경으로 방사형 골절 및 균열 시작이 관찰되어 유리 층의 조기 응집 실패를 나타냅니다.
임계 하중 #2(≈7.44N): 큰 AE 스파이크와 스크래치 깊이의 급격한 증가는 더 높은 하중에서 프로텍터 관통을 나타냅니다.

AE 강도는 TPU보다 높았지만 휴대폰 화면에 손상이 전달되지 않아 강화유리 보호기가 치명적인 고장 전에 하중을 흡수하고 분산하는 능력을 입증했습니다.

두 재료 모두에서 임계 하중 #2는 압자가 화면 보호기를 뚫는 순간에 해당하여 각 샘플의 보호 한계를 확인했습니다.

TPU 화면 보호기: 스크래치 테스트 데이터 및 고장 분석

스크래치	임계 부하 #2 (N)
1	2.033
2	2.047
3	1.931
평균	2.003
표준 편차	0.052

표 3: TPU 화면 보호기 스크래치 테스트 중 측정된 임계 하중.

그림 2: TPU 화면 보호기의 마찰력, 정상 하중, 음향 방출(AE), 스크래치 깊이 대 스크래치 길이를 측정합니다. (B) 임계 부하 #2

그림 3: 임계 부하 #2(5배율, 이미지 폭 0.8934mm)에서의 TPU 화면 보호기 광학 현미경 이미지.

그림 4: 점진적 부하 테스트 후 전체 스크래치 트랙을 보여주는 TPU 화면 보호기의 스크래치 후 전체 길이 이미지입니다.

강화유리 화면 보호기: 임계 하중 데이터 및 파손 거동

스크래치	임계 부하 #1(N)	임계 부하 #2 (N)
1	3.923	7.366
2	3.382	6.483
3	3.519	8.468
평균	3.653	6.925
표준 편차	0.383	0.624

표 4: 강화유리 화면 보호기 스크래치 테스트 중 측정한 임계 하중입니다.

ℹ️ 비규산염 폴리머 코팅과 비교하려면 다음 연구를 참조하십시오. PTFE 코팅 마모 테스트, 는 유사한 점진적 하중 조건에서 저마찰 폴리머 필름의 고장 거동을 강조합니다.

그림 5: 강화유리 화면 보호기의 마찰력, 정상 하중, 음향 방출(AE), 스크래치 깊이 대 스크래치 길이를 측정합니다. (A) 임계 부하 #1 (B) 임계 부하 #2

그림 6: 5배 확대(이미지 폭: 0.8934mm)에서 임계 부하 #1(왼쪽) 및 임계 부하 #2(오른쪽)의 고장 위치를 보여주는 광학 현미경 이미지.

그림 7: 강화 유리 스크래치 트랙의 테스트 후 광학 현미경 이미지, 점진적 하중 테스트 후 골절 시작(CL#1)과 최종 관통 영역(CL#2)을 강조 표시합니다.

결론: TPU와 강화유리 화면 보호기의 스크래치 성능 비교

이 연구는 나노베아 PB1000 기계식 테스터가 점진적 하중 및 음향 방출(AE) 감지를 사용하여 제어되고 반복 가능하며 매우 민감한 스크래치 저항 측정을 제공하는 방법을 보여줍니다. 이 시스템은 응집 및 접착 실패 이벤트를 모두 정확하게 포착함으로써 기계적 스트레스가 증가함에 따라 TPU 및 강화 유리 화면 보호기가 어떻게 작동하는지를 명확하게 비교할 수 있습니다.

실험 결과에 따르면 강화 유리는 TPU보다 훨씬 높은 임계 하중을 견디며 우수한 스크래치 저항성, 지연된 파손 시작, 압흔 침투에 대한 안정적인 보호 기능을 제공하는 것으로 나타났습니다. TPU는 응집 강도가 낮고 박리가 일찍 일어나기 때문에 스트레스가 많은 환경에서는 한계가 있습니다.

장애 부하를 식별한 후 결과 스크래치 트랙을 다음을 사용하여 분석할 수도 있습니다. 비접촉식 3D 광학 프로파일로미터 를 사용하여 홈 깊이, 잔류 변형 및 스크래치 후 지형을 측정합니다. 이를 통해 각 소재의 기계적 프로파일을 완성할 수 있습니다.

나노베아 기계식 테스터는 정확하고 반복 가능한 압흔, 스크래치 및 마모 테스트를 위해 설계되었으며 ISO 및 ASTM을 준수하는 나노 및 마이크로 모듈을 지원합니다. 다양한 기능을 갖추고 있어 R&D, 생산 및 품질 관리 전반에 걸쳐 박막, 코팅, 폴리머, 유리 및 기판의 전체 기계적 프로파일을 평가하는 데 이상적인 솔루션입니다.

자주 묻는 질문
스크래치 내성 테스트 정보

스크래치 저항 테스트란 무엇인가요?

스크래치 저항 테스트는 다이아몬드 스타일러스에 점진적으로 증가하는 하중을 가했을 때 소재나 코팅이 어떻게 반응하는지를 평가합니다. 이 테스트는 응집력 또는 접착 실패가 발생하는 임계 하중을 식별하여 내구성, 접착 강도 및 표면 손상에 대한 저항성을 정량화할 수 있는 척도를 제공합니다.

접착 실패와 접착 실패의 차이점은 무엇인가요?

응집 실패 발생 내 코팅이나 재료에 균열, 찢어짐, 내부 파손 등의 문제가 발생할 수 있습니다.
접착 실패는 코팅이 인쇄물에서 분리될 때 발생하며, 이는 접착 강도가 충분하지 않음을 나타냅니다.

나노베아 PB1000은 동기화된 음향 방출 모니터링, 스크래치 깊이 추적 및 마찰 분석을 사용하여 이 두 가지를 모두 감지합니다.

수동 방식 대신 기계식 테스터를 사용하는 이유는 무엇인가요?

나노베아 PB1000과 같은 기계식 테스터는 정밀하고 반복 가능하며 표준화된 측정을 제공하여 R&D, 생산 검증 및 품질 관리를 위한 신뢰할 수 있는 데이터를 보장합니다. 또한 음향 방출 감지 및 실시간 깊이 모니터링과 같은 고급 기능을 제공하여 수동 방식으로는 제공하지 못하는 기능을 제공합니다.

소재에 대한 신뢰할 수 있는 스크래치 테스트가 필요하신가요?

나노베아 트라이보미터를 이용한 암석 마모도 테스트

암반 마찰학:나노비아 마찰계(Tribometer)를 이용한 암석 마모성 시험

작성자

DUANJIE LI, PhD

소개

암석은 광물 알갱이로 구성되어 있습니다. 이러한 광물의 종류와 풍부함, 그리고 광물 알갱이 사이의 화학적 결합 강도가 암석의 기계적, 마찰학적 특성을 결정합니다. 지질 암석 주기에 따라 암석은 변형을 겪을 수 있으며 일반적으로 화성암, 퇴적암, 변성암의 세 가지 주요 유형으로 분류됩니다. 이러한 암석은 다양한 광물 및 화학적 조성, 투과성 및 입자 크기를 나타내며 이러한 특성은 다양한 내마모성에 기여합니다. 암석 마찰학은 다양한 지질 및 환경 조건에서 암석의 마모 및 마찰 거동을 탐구합니다.

암석 연마재 시험의 중요성

마모 및 마찰을 포함한 암석에 대한 다양한 유형의 마모는 유정 굴착 과정에서 발생하며, 이는 드릴 비트 및 절단 도구의 수리 및 교체로 인해 직접적이고 결과적으로 상당한 손실을 초래합니다. 따라서 암석의 천공성, 천공성, 절단성 및 마모성에 대한 연구는 석유, 가스 및 광업 산업에서 매우 중요합니다. 암석 마찰학 연구는 가장 효율적이고 비용 효과적인 시추 전략을 선택하는 데 중추적인 역할을 하여 전반적인 효율성을 향상시키고 재료, 에너지 및 환경 보존에 기여합니다. 또한 표면 마찰을 최소화하면 드릴 비트와 암석 사이의 상호 작용을 줄여 도구 마모를 줄이고 드릴링/절단 효율을 향상시키는 데 매우 유리합니다.

측정 목표

본 연구에서는 두 종류의 암석에 대한 마찰 특성을 시뮬레이션하고 비교하여 나노비아 T50 마모 시험기 통제되고 모니터링되는 방식으로 암석의 마찰 계수와 마모율을 측정합니다.

나노비아 T50 컴팩트
자유 중량 트라이보미터

샘플

테스트 절차

두 암석 샘플의 마찰 계수, COF 및 내마모성은 Pin-on-Disc 마모 모듈을 사용하는 NANOVEA T50 마찰계로 평가되었습니다. Al2O3 볼(직경 6mm)을 카운터 재료로 사용했습니다. 테스트 후 NANOVEA 비접촉 프로파일로미터를 사용하여 마모 트랙을 검사했습니다. 테스트 매개변수는 아래에 요약되어 있습니다.

마모율 K는 공식 K=V/(F×s)=A/(F×n)을 사용하여 평가되었으며, 여기서 V는 마모량, F는 일반 하중, s는 슬라이딩 거리, A는 마모 트랙의 단면적, n은 회전수입니다. NANOVEA Optical Profilometer를 사용하여 표면 거칠기와 마모 트랙 프로파일을 평가하고 광학 현미경을 사용하여 마모 트랙 형태를 검사했습니다.

본 연구에서는 카운터 재료로 Al2O3 볼을 예로 사용했습니다. 실제 적용 상황을 시뮬레이션하기 위해 맞춤형 고정 장치를 사용하여 다양한 모양의 견고한 재료를 적용할 수 있습니다.

테스트 매개변수

샘플	석회석, 대리석
마모 반지름	5mm
일반 힘	10 N
테스트 기간	10 분
속도	100rpm

결과 및 토론

NANOVEA Mechanical Tester의 Micro Indentation 모듈을 활용하여 석회석과 대리석 샘플의 경도(H)와 탄성 계수(E)를 그림 1에서 비교합니다. 석회석 샘플은 H에 대해 1.07, E에 대해 49.6GPa의 값을 기록한 대리석과 달리 각각 0.53 및 25.9GPa로 측정된 더 낮은 H 및 E 값을 나타냈습니다. 석회석 샘플은 과립화 및 다공성 특성으로 인해 표면 불균질성이 더 크기 때문일 수 있습니다.

두 암석 샘플의 마모 테스트 중 COF의 변화는 그림 2에 나와 있습니다. 석회석은 초기에 마모 테스트 시작 시 COF가 약 0.8로 급격히 증가하여 테스트 기간 동안 이 값을 유지합니다. COF의 이러한 급격한 변화는 마모 트랙 내의 접촉면에서 발생하는 빠른 마모 및 거칠기 과정으로 인해 Al2O3 볼이 암석 샘플에 침투하기 때문일 수 있습니다. 대조적으로, 대리석 샘플은 약 5m의 슬라이딩 거리 후에 COF가 더 높은 값으로 눈에 띄게 증가하여 석회석과 비교할 때 내마모성이 우수함을 나타냅니다.

그림 1: 석회암과 대리석 시료의 경도 및 영의 계수 비교.

그림 2: 마모 테스트 중 석회석 및 대리석 샘플의 마찰계수(COF) 변화.

그림 3은 마모 테스트 후 석회석과 대리석 샘플의 단면 프로파일을 비교하고 표 1은 마모 추적 분석 결과를 요약합니다. 그림 4는 광학 현미경으로 관찰한 샘플의 마모 흔적을 보여줍니다. 마모 트랙 평가는 COF 진화 관찰과 일치합니다. 장기간 동안 낮은 COF를 유지하는 대리석 샘플은 석회석의 0.0353mm³/Nm에 비해 0.0046mm³/Nm의 더 낮은 마모율을 나타냅니다. 대리석의 우수한 기계적 특성은 석회석보다 내마모성이 우수합니다.

그림 3: 마모 트랙의 단면 프로파일.

표 1: 마모궤적 분석 결과 요약.

그림 4: 광학 현미경으로 트랙을 착용합니다.

결론

본 연구에서 우리는 제어되고 모니터링되는 방식으로 대리석과 석회석이라는 두 암석 샘플의 마찰 계수와 내마모성을 평가하는 NANOVEA 마찰계의 성능을 보여주었습니다. 대리석의 우수한 기계적 특성은 뛰어난 내마모성에 기여합니다. 이러한 특성으로 인해 석유 및 가스 산업에서 드릴링 또는 절단 작업이 어려워집니다. 반대로, 바닥타일 등 고급 건축자재로 사용하면 수명이 대폭 연장됩니다.

NANOVEA 마찰계는 회전 모드와 선형 모드 모두에서 ISO 및 ASTM 표준을 준수하면서 정확하고 반복 가능한 마모 및 마찰 테스트 기능을 제공합니다. 또한 고온 마모, 윤활 및 마찰 부식을 위한 옵션 모듈을 제공하며 모두 하나의 시스템에 원활하게 통합됩니다. NANOVEA의 탁월한 제품군은 얇거나 두꺼운, 부드럽거나 단단한 코팅, 필름, 기판 및 암석 마찰학의 모든 범위의 마찰공학 특성을 결정하는 데 이상적인 솔루션입니다.

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Shot Peened 표면 분석

숏핀 표면 분석

3D 비접촉식 프로파일로미터 사용

작성자

크레이그 레싱

소개

쇼트 피닝은 기판에 구형 금속, 유리 또는 세라믹 비드(일반적으로 "샷"이라고 함)를 표면에 가소성을 유도하기 위한 힘으로 충격을 가하는 공정입니다. 피닝 전후의 특성을 분석하면 프로세스 이해 및 제어를 향상시키는 데 중요한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 샷에 의해 남겨진 딤플의 표면 거칠기와 적용 범위는 특히 주목할 만한 측면입니다.

숏핀 표면 분석을 위한 3D 비접촉 프로파일로미터의 중요성

전통적으로 샷 피닝된 표면 분석에 사용되었던 기존 접촉식 프로파일로미터와 달리 3D 비접촉식 측정은 완전한 3D 이미지를 제공하여 적용 범위와 표면 지형에 대한 보다 포괄적인 이해를 제공합니다. 3D 기능이 없으면 검사는 2D 정보에만 의존하게 되므로 표면 특성화에 충분하지 않습니다. 지형, 적용 범위 및 거칠기를 3D로 이해하는 것이 피닝 공정을 제어하거나 개선하기 위한 최선의 접근 방식입니다. 나노베아의 3D 비접촉 프로파일로미터 가공된 표면과 피닝된 표면에서 발견되는 가파른 각도를 측정하는 고유한 기능을 갖춘 Chromatic Light 기술을 활용합니다. 또한 프로브 접촉, 표면 변화, 각도 또는 반사율로 인해 다른 기술이 신뢰할 수 있는 데이터를 제공하지 못하는 경우 NANOVEA Profilometer가 성공합니다.

측정 목표

이 응용 분야에서 NANOVEA ST400 비접촉식 프로파일로미터는 비교 검토를 위해 원료와 두 개의 서로 다른 피닝 표면을 측정하는 데 사용됩니다. 3D 표면 스캔 후 자동으로 계산할 수 있는 끝없는 표면 매개변수 목록이 있습니다. 여기에서는 3D 표면을 검토하고 거칠기, 딤플 및 표면적을 정량화하고 조사하는 것을 포함하여 추가 분석을 위해 관심 영역을 선택합니다.

나노비아 ST400 표준
광학 3D 프로파일로미터

샘플

결과

강철 표면

ISO 25178 3D 조도 매개변수

SA	0.399㎛	평균 거칠기
Sq	0.516㎛	RMS 거칠기
Sz	5.686μm	최대 피크-밸리
Sp	2.976μm	최대 피크 높이
Sv	2.711μm	최대 피트 깊이
SKU	3.9344	첨도
Ssk	-0.0113	기울기
남자 이름	0.0028mm	자동 상관 길이
Str	0.0613	텍스처 종횡비
스다르	26.539mm²	표면적
Svk	0.589㎛	감소된 계곡 깊이

결과

피닝된 표면 1

표면 커버리지 98.105%

ISO 25178 3D 조도 매개변수

Sa	4.102㎛	평균 거칠기
Sq	5.153㎛	RMS 거칠기
Sz	44.975μm	최대 피크-밸리
Sp	24.332㎛	최대 피크 높이
Sv	20.644μm	최대 피트 깊이
SKU	3.0187	첨도
Ssk	0.0625	기울기
남자 이름	0.0976mm	자동 상관 길이
Str	0.9278	텍스처 종횡비
스다르	29.451mm²	표면적
Svk	5.008μm	감소된 계곡 깊이

결과

피닝된 표면 2

표면 커버리지 97.366%

ISO 25178 3D 조도 매개변수

Sa	4.330㎛	평균 거칠기
Sq	5.455㎛	RMS 거칠기
Sz	54.013㎛	최대 피크-밸리
Sp	25.908μm	최대 피크 높이
Sv	28.105μm	최대 피트 깊이
SKU	3.0642	첨도
Ssk	0.1108	기울기
남자 이름	0.1034mm	자동 상관 길이
Str	0.9733	텍스처 종횡비
스다르	29.623mm²	표면적
Svk	5.167μm	감소된 계곡 깊이

결론

이 숏 피닝 표면 분석 애플리케이션에서 우리는 NANOVEA ST400 3D 비접촉식 프로파일러가 피닝 표면의 지형과 나노미터 세부 사항을 모두 정확하게 특성화하는 방법을 시연했습니다. 표면 1과 표면 2 모두 원료와 비교할 때 여기에 보고된 모든 매개변수에 상당한 영향을 미친다는 것이 분명합니다. 이미지를 간단하게 육안으로 검사하면 표면 간의 차이를 알 수 있습니다. 이는 커버리지 영역과 나열된 매개변수를 관찰하여 추가로 확인됩니다. 표면 2와 비교하여 표면 1은 더 낮은 평균 거칠기(Sa), 더 얕은 찌그러짐(Sv) 및 감소된 표면적(Sdar)을 나타내지만 커버리지 영역은 약간 더 높습니다.

이러한 3D 표면 측정에서 관심 영역을 쉽게 식별하고 거칠기, 마감, 질감, 모양, 지형, 편평도, 뒤틀림, 평면도, 부피, 계단 높이 등을 포함한 포괄적인 측정을 수행할 수 있습니다. 자세한 분석을 위해 2D 단면을 빠르게 선택할 수 있습니다. 이 정보를 통해 표면 측정 리소스의 전체 범위를 활용하여 피닝된 표면을 포괄적으로 조사할 수 있습니다. 통합 AFM 모듈을 사용하여 특정 관심 영역을 추가로 검사할 수 있습니다. NANOVEA 3D 프로파일로미터는 최대 200mm/s의 속도를 제공합니다. 크기, 속도, 스캔 기능 측면에서 사용자 정의할 수 있으며 클래스 1 클린룸 표준도 준수할 수 있습니다. 인라인 또는 온라인 사용을 위한 인덱싱 컨베이어 및 통합과 같은 옵션도 사용할 수 있습니다.

본 문서에 제시된 샘플을 제공해 주신 IMF의 헤이든 씨께 특별히 감사드립니다. 산업 금속 마감 처리 주식회사 | indmetfin.com

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NANOVEA 3D 프로필로미터 사용하기

작성자

DUANJIE LI, PhD

소개

페인트의 보호 및 장식 특성은 자동차, 해양, 군사 및 건설을 포함한 다양한 산업에서 중요한 역할을 합니다. 내부식성, UV 보호 및 내마모성과 같은 원하는 특성을 달성하기 위해 페인트 공식 및 구조를 신중하게 분석, 수정 및 최적화합니다.

건조 페인트 표면 형태 분석을 위한 3D 비접촉 프로파일로미터의 중요성

페인트는 일반적으로 액체 형태로 적용되며 건조 과정을 거치는데, 여기에는 용매가 증발하고 액체 페인트가 고체 필름으로 변형됩니다. 건조 과정에서 페인트 표면은 모양과 질감이 점진적으로 바뀝니다. 첨가제를 사용하여 페인트의 표면 장력 및 유동 특성을 수정함으로써 다양한 표면 마감 및 질감을 개발할 수 있습니다. 그러나 잘못 공식화된 페인트 레시피 또는 부적절한 표면 처리의 경우 원하지 않는 페인트 표면 손상이 발생할 수 있습니다.

건조 기간 동안 페인트 표면 형태를 정확하게 현장에서 모니터링하면 건조 메커니즘에 대한 직접적인 통찰력을 얻을 수 있습니다. 또한, 표면 형태의 실시간 변화는 3D 프린팅과 같은 다양한 응용 분야에서 매우 유용한 정보입니다. 나노베아 3D 비접촉 프로파일로미터 샘플을 건드리지 않고 재료의 페인트 표면 형태를 측정하여 슬라이딩 스타일러스와 같은 접촉 기술로 인해 발생할 수 있는 모양 변경을 방지합니다.

측정 목표

이 애플리케이션에서는 고속 라인 광학 센서가 장착된 NANOVEA ST500 비접촉 프로파일로미터를 사용하여 1시간 건조 기간 동안 페인트 표면 형태를 모니터링합니다. 우리는 지속적인 형상 변화로 재료의 자동화된 실시간 3D 프로파일 측정을 제공하는 NANOVEA 비접촉 프로파일로미터의 기능을 선보입니다.

나노비아 ST500 대면적
광학 3D 프로파일로미터

결과 및 토론

금속 시트의 표면에 페인트를 도포한 후 고속 라인 센서가 장착된 NANOVEA ST500 비접촉 프로파일로미터를 사용하여 현장에서 즉시 건조 페인트의 형태 변화를 자동 측정했습니다. 0, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60분의 특정 시간 간격으로 3D 표면 형태를 자동으로 측정하고 기록하도록 매크로가 프로그래밍되었습니다. 이 자동 스캔 절차를 통해 사용자는 설정된 절차를 순차적으로 실행하여 스캔 작업을 자동으로 수행할 수 있으므로 수동 테스트 또는 반복 스캔에 비해 노력, 시간 및 발생할 수 있는 사용자 오류를 크게 줄일 수 있습니다. 이 자동화는 서로 다른 시간 간격으로 여러 번 스캔하는 장기 측정에 매우 유용합니다.

광학 라인 센서는 그림 1과 같이 192개의 포인트로 구성된 밝은 라인을 생성합니다. 이 192개의 광점은 샘플 표면을 동시에 스캔하여 스캔 속도를 크게 향상시킵니다. 이렇게 하면 각 3D 스캔이 신속하게 완료되어 각 개별 스캔 중에 상당한 표면 변화를 방지할 수 있습니다.

그림 1: 건조 중인 페인트의 표면을 스캔하는 광학 라인 센서.

대표적인 시간에 건조 페인트 토포그래피의 가색 보기, 3D 보기 및 2D 프로파일이 각각 그림 2, 그림 3 및 그림 4에 표시됩니다. 이미지의 가색은 쉽게 식별할 수 없는 기능을 쉽게 감지할 수 있도록 합니다. 서로 다른 색상은 샘플 표면의 서로 다른 영역에서 높이 변화를 나타냅니다. 3D 보기는 사용자가 다양한 각도에서 페인트 표면을 관찰할 수 있는 이상적인 도구를 제공합니다. 테스트의 처음 30분 동안, 페인트 표면의 가색은 따뜻한 톤에서 차가운 톤으로 점차 바뀌어 이 기간 동안 높이가 점진적으로 감소함을 나타냅니다. 30분과 60분에 페인트를 비교할 때 온화한 색상 변화로 알 수 있듯이 이 프로세스가 느려집니다.

페인트 건조 시간의 함수로서 평균 샘플 높이 및 거칠기 Sa 값이 그림 5에 표시되어 있습니다. 0분, 30분 및 60분 건조 시간 후 페인트의 전체 거칠기 분석이 표 1에 나열되어 있습니다. 다음을 관찰할 수 있습니다. 페인트 표면의 평균 높이는 건조 시간의 처음 30분 동안 471에서 329μm로 급격히 감소합니다. 표면 질감은 용매가 증발함과 동시에 발생하여 조도 Sa 값이 7.19에서 22.6μm로 증가합니다. 그 후 페인트 건조 공정이 느려져 샘플 높이와 Sa 값이 60분에 각각 317μm 및 19.6μm로 점진적으로 감소합니다.

이 연구는 건조 페인트의 3D 표면 변화를 실시간으로 모니터링하는 NANOVEA 3D 비접촉 프로파일로미터의 기능을 강조하여 페인트 건조 프로세스에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다. 프로파일로미터는 샘플을 건드리지 않고 표면 형태를 측정함으로써 슬라이딩 스타일러스와 같은 접촉 기술에서 발생할 수 있는 건조되지 않은 페인트의 모양 변경을 방지합니다. 이 비접촉 방식은 건조 페인트 표면 형태에 대한 정확하고 신뢰할 수 있는 분석을 보장합니다.

그림 2: 다른 시간에 건조 페인트 표면 형태의 진화.

그림 3: 다양한 건조 시간에 따른 페인트 표면 변화의 3D 보기.

그림 4: 다양한 건조 시간 후 페인트 샘플에 대한 2D 프로파일.

그림 5: 페인트 건조 시간의 함수로서 평균 샘플 높이 및 거칠기 값 Sa의 변화.

ISO 25178 - 표면 텍스처 매개변수

건조시간(분)	0	5	10	20	30	40	50	60
제곱(µm)	7.91	9.4	10.8	20.9	22.6	20.6	19.9	19.6
SKU	26.3	19.8	14.6	11.9	10.5	9.87	9.83	9.82
SP(µm)	97.4	105	108	116	125	118	114	112
시버트(µm)	127	70.2	116	164	168	138	130	128
사이즈(µm)	224	175	224	280	294	256	244	241
사(µm)	4.4	5.44	6.42	12.2	13.3	12.2	11.9	11.8

표 1: 다른 건조 시간에 페인트 거칠기.

결론

이 애플리케이션에서 우리는 NANOVEA ST500 3D 비접촉 프로파일로미터가 건조 공정 중 페인트 표면 형태의 변화를 모니터링하는 기능을 선보였습니다. 샘플 표면을 동시에 스캔하는 192개의 광점이 있는 라인을 생성하는 고속 광학 라인 센서는 타의 추종을 불허하는 정확도를 보장하면서 연구 시간을 효율적으로 만들었습니다.

획득 소프트웨어의 매크로 기능을 사용하면 3D 표면 형태의 자동 측정을 현장에서 프로그래밍할 수 있으므로 특정 대상 시간 간격에서 여러 스캔을 포함하는 장기 측정에 특히 유용합니다. 시간, 노력 및 사용자 오류 가능성을 크게 줄입니다. 표면 형태의 점진적인 변화는 페인트가 건조됨에 따라 실시간으로 지속적으로 모니터링되고 기록되어 페인트 건조 메커니즘에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다.

여기에 표시된 데이터는 분석 소프트웨어에서 사용할 수 있는 계산의 일부만을 나타냅니다. NANOVEA 프로파일로미터는 투명, 어둡거나 반사 또는 불투명 여부에 관계없이 거의 모든 표면을 측정할 수 있습니다.

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PTFE 코팅 마모 테스트

트라이보미터 및 기계적 테스터 사용

작성자

DUANJIE LI, PhD

소개

일반적으로 Teflon으로 알려진 PTFE(Polytetrafluoroethylene)는 적용된 하중에 따라 마찰 계수(COF)가 매우 낮고 내마모성이 뛰어난 폴리머입니다. PTFE는 뛰어난 화학적 불활성, 327°C(620°F)의 높은 융점을 나타내며 낮은 온도에서 높은 강도, 인성 및 자기 윤활성을 유지합니다. PTFE 코팅의 뛰어난 내마모성은 자동차, 항공 우주, 의료 및 특히 조리기구와 같은 광범위한 산업 응용 분야에서 매우 인기가 있습니다.

PTFE 코팅의 정량적 평가의 중요성

매우 낮은 마찰 계수(COF), 우수한 내마모성 및 고온에서의 뛰어난 화학적 불활성의 조합으로 인해 PTFE는 들러붙지 않는 팬 코팅에 이상적인 선택입니다. R&D 동안 기계 공정을 더욱 강화하고 품질 관리 공정에서 오작동 방지 및 안전 조치에 대한 최적의 제어를 보장하려면 PTFE 코팅의 마찰 기계적 공정을 양적으로 평가하기 위한 신뢰할 수 있는 기술을 보유하는 것이 중요합니다. 코팅의 표면 마찰, 마모 및 접착력을 정밀하게 제어하는 것은 의도한 성능을 보장하는 데 필수적입니다.

측정 목표

이 응용 분야에서 NANOVEA 트리보미터를 사용하여 선형 왕복 모드에서 논스틱 팬용 PTFE 코팅의 마모 과정을 시뮬레이션합니다.

나노비아 T50 컴팩트
자유 중량 트라이보미터

또한 NANOVEA Mechanical Tester를 사용하여 PTFE 코팅 접착 실패의 임계 하중을 결정하기 위해 미세 스크래치 접착 테스트를 수행했습니다.

나노비아 PB1000 대형 플랫폼 기계 테스터

테스트 절차

착용 테스트

트라이보미터를 사용한 선형 왕복 마모

마찰 계수(COF) 및 내마모성을 포함한 PTFE 코팅 샘플의 마찰학적 거동은 NANOVEA를 사용하여 평가되었습니다. 트라이보미터 선형 왕복 모드에서. 직경 3mm(등급 100)의 스테인레스 스틸 440 볼 팁을 코팅에 사용했습니다. COF는 PTFE 코팅 마모 테스트 중에 지속적으로 모니터링되었습니다.

마모율 K는 K=V/(F×s)=A/(F×n) 공식을 사용하여 계산되었으며, 여기서 V는 마모량을 나타내고, F는 일반 하중, s는 슬라이딩 거리, A는 마모 트랙의 단면적, n은 스트로크 수입니다. 마모 트랙 프로파일은 NANOVEA를 사용하여 평가되었습니다. 광학 프로파일로미터, 마모 트랙 형태는 광학 현미경을 사용하여 검사되었습니다.

마모 테스트 매개변수

로드	30 N
테스트 기간	5 분
슬라이딩 속도	80rpm
트랙의 진폭	8mm
혁명	300
볼 지름	3mm
볼 소재	스테인레스 스틸 440
윤활유	없음
대기권	Air
온도	230C (RT)
습도	43%

테스트 절차

스크래치 테스트

MECHANICAL TESTER를 이용한 미세스크래치 접착력 시험

PTFE 스크래치 접착력 측정은 NANOVEA를 사용하여 수행되었습니다. 기계 테스터 마이크로 스크래치 테스터 모드에서 1200 Rockwell C 다이아몬드 스타일러스(반경 200μm)를 사용합니다.

결과의 재현성을 보장하기 위해 동일한 테스트 조건에서 세 가지 테스트를 수행했습니다.

스크래치 테스트 매개변수

로드 유형	프로그레시브
초기 로드	0.01mN
최종 로드	20mN
로딩 속도	40mN/분
스크래치 길이	3mm
스크래칭 속도, dx/dt	6.0mm/분
들여쓰기 기하학	120o 로크웰 C
들여쓰기 재료(팁)	다이아몬드
들여쓰기 팁 반경	200 μm

결과 및 토론

트라이보미터를 사용한 선형 왕복 마모

현장에서 기록된 COF는 그림 1에 나와 있습니다. 테스트 샘플은 PTFE의 낮은 점착성으로 인해 처음 130회전 동안 ~0.18의 COF를 나타냈습니다. 그러나 코팅이 뚫리면서 COF가 ~1로 갑자기 증가하여 아래의 기판이 드러났습니다. 선형 왕복 시험 후 마모 트랙 프로파일은 NANOVEA를 사용하여 측정되었습니다. 비접촉식 광학 프로파일로미터, 그림 2와 같이 얻은 데이터에서 해당 마모율은 ~2.78 × 10-3mm3/Nm로 계산되었으며 마모 트랙의 깊이는 44.94μm로 결정되었습니다.

NANOVEA T50 트라이보미터의 PTFE 코팅 마모 테스트 설정.

그림 1: PTFE 코팅 마모 테스트 중 COF의 진화.

그림 2: 마모 트랙 PTFE의 프로파일 추출.

PTFE 돌파 전

최대 COF	0.217
최소 COF	0.125
평균 COF	0.177

획기적인 후 PTFE

최대 COF	0.217
최소 COF	0.125
평균 COF	0.177

표 1: 마모 테스트 중 돌파 전후의 COF.

결과 및 토론

MECHANICAL TESTER를 이용한 미세스크래치 접착력 시험

기판에 대한 PTFE 코팅의 접착력은 200µm 다이아몬드 스타일러스로 스크래치 테스트를 사용하여 측정됩니다. 현미경 사진은 그림 3 및 그림 4, COF의 진화 및 그림 5의 침투 깊이에 나와 있습니다. PTFE 코팅 스크래치 테스트 결과는 표 4에 요약되어 있습니다. 다이아몬드 스타일러스에 대한 부하가 증가함에 따라 점차적으로 코팅에 침투했습니다. 결과적으로 COF가 증가합니다. ~8.5N의 하중에 도달했을 때 코팅의 돌파와 기판의 노출이 고압에서 발생하여 ~0.3의 높은 COF를 초래했습니다. 표 2에 표시된 낮은 St Dev는 NANOVEA 기계적 테스터를 사용하여 수행된 PTFE 코팅 스크래치 테스트의 반복성을 보여줍니다.

그림 3: PTFE(10X)의 전체 스크래치 현미경 사진.

그림 4: PTFE(10X)의 전체 스크래치 현미경 사진.

그림 5: PTFE에 대한 임계 실패 지점의 선을 보여주는 마찰 그래프.

*스크래치*	*실패 지점 [N]*	*마찰력 [N]*	*COF*
1	0.335	0.124	0.285
2	0.337	0.207	0.310
3	0.380	0.229	0.295
평균	8.52	2.47	0.297
세인트 데브	0.17	0.16	0.012

표 2: 스크래치 테스트 중 임계 하중, 마찰력 및 COF 요약.

결론

이 연구에서는 선형 왕복 모드에서 NANOVEA T50 트리보미터를 사용하여 붙지 않는 팬용 PTFE 코팅의 마모 프로세스 시뮬레이션을 수행했습니다. PTFE 코팅은 ~0.18의 낮은 COF를 나타냈고 코팅은 약 130회전에서 돌파구를 경험했습니다. 금속 기판에 대한 PTFE 코팅 접착력의 정량적 평가는 NANOVEA Mechanical Tester를 사용하여 수행되었으며 이 테스트에서 코팅 접착 실패의 임계 하중은 ~8.5N으로 결정되었습니다.

NANOVEA 트리보미터는 ISO 및 ASTM 준수 회전 및 선형 모드를 사용하여 정확하고 반복 가능한 마모 및 마찰 테스트 기능을 제공합니다. 단일 시스템에 모두 통합된 고온 마모, 윤활 및 마찰 부식을 위한 옵션 모듈을 제공합니다. 이러한 다재다능함을 통해 사용자는 실제 응용 환경을 보다 정확하게 시뮬레이션하고 다양한 재료의 마모 메커니즘 및 마찰 특성을 이해할 수 있습니다.

NANOVEA 기계적 테스터는 나노, 마이크로 및 매크로 모듈을 제공하며 각 모듈에는 ISO 및 ASTM 준수 인덴테이션, 스크래치 및 마모 테스트 모드가 포함되어 있어 단일 시스템에서 사용할 수 있는 가장 광범위하고 사용자 친화적인 테스트 기능을 제공합니다.

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트라이보미터를 사용한 바닥재의 점진적 마모 매핑

바닥재 마모 시험

통합 프로파일로미터를 장착한 트라이보미터를 이용한 바닥재의 점진적 마모 매핑

작성자

프랭크 리우

소개

바닥재는 내구성이 뛰어나도록 설계되었지만 이동, 가구 사용 등 일상 활동으로 인해 마모되거나 찢어지는 경우가 많습니다. 수명을 보장하기 위해 대부분의 바닥재에는 손상을 방지하는 보호 마모층이 있습니다. 그러나 바닥재 종류와 보행량에 따라 마모층의 두께와 내구성이 달라집니다. 또한 UV 코팅, 장식 층, 유약 등 바닥 구조 내의 다양한 층은 마모율이 다릅니다. 이것이 바로 점진적인 마모 매핑이 필요한 곳입니다. 통합된 NANOVEA T2000 마찰계를 사용하여 3D 비접촉 프로파일로미터, 바닥재의 성능과 수명에 대한 정밀한 모니터링과 분석이 가능합니다. 다양한 바닥재의 마모 거동에 대한 자세한 통찰력을 제공함으로써 과학자와 기술 전문가는 새로운 바닥재 시스템을 선택하고 설계할 때 더 많은 정보를 바탕으로 결정을 내릴 수 있습니다.

바닥 패널에 대한 프로그레시브 마모 매핑의 중요성

바닥재 테스트는 전통적으로 마모에 대한 내구성을 결정하기 위해 샘플의 마모율에 중점을 두었습니다. 그러나 프로그레시브 마모 매핑을 사용하면 테스트 전반에 걸쳐 샘플의 마모율을 분석하여 마모 거동에 대한 귀중한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 이러한 심층 분석을 통해 마찰 데이터와 마모율 간의 상관관계를 파악하여 마모의 근본 원인을 파악할 수 있습니다. 마모율은 마모 테스트 전반에 걸쳐 일정하지 않다는 점에 유의해야 합니다. 따라서 마모 진행을 관찰하면 샘플의 마모를 보다 정확하게 평가할 수 있습니다. 기존의 테스트 방법을 뛰어넘는 프로그레시브 마모 매핑의 도입은 바닥재 테스트 분야에서 상당한 발전에 기여했습니다.

3D 비접촉 프로파일로미터가 통합된 NANOVEA T2000 마찰계는 마모 테스트 및 체적 손실 측정을 위한 획기적인 솔루션입니다. 핀과 프로파일로미터 사이를 정밀하게 이동할 수 있는 능력은 마모 트랙 반경이나 위치의 편차를 제거하여 결과의 신뢰성을 보장합니다. 하지만 그게 전부는 아닙니다. 3D 비접촉 프로파일로미터의 고급 기능을 사용하면 고속 표면 측정이 가능해 스캔 시간이 단 몇 초로 단축됩니다. 최대 2,000N의 하중을 적용하고 최대 5,000rpm의 회전 속도를 달성할 수 있는 NANOVEA T2000 트라이보미터 평가 과정에서 다양성과 정확성을 제공합니다. 이 장비가 점진적인 마모 매핑에서 중요한 역할을 한다는 것은 분명합니다.

그림 1: 마모 테스트 전 샘플 셋업 (왼쪽) 및 마모 테스트 후 마모 트랙의 프로파일 측정(오른쪽).

측정 목표

프로그레시브 마모 매핑 테스트는 석재와 목재 두 가지 유형의 바닥재에 대해 수행되었습니다. 각 샘플은 2, 4, 8, 20, 40, 60, 120초로 테스트 시간을 늘려가며 총 7번의 테스트 주기를 거쳤으며, 시간 경과에 따른 마모를 비교할 수 있도록 했습니다. 각 테스트 사이클이 끝난 후 나노베아 3D 비접촉 프로파일로미터를 사용하여 마모 트랙을 프로파일링했습니다. 프로파일러가 수집한 데이터에서 구멍의 부피와 마모율은 나노베아 트라이보미터 소프트웨어 또는 표면 분석 소프트웨어인 마운틴의 통합 기능을 사용하여 분석할 수 있습니다.

나노비아 T2000 고부하
공압식 마찰계

샘플

마모 매핑 테스트 매개변수

로드	40 N
테스트 기간	다양
속도	200 rpm
RADIUS	10 mm
거리	다양
볼 소재	텅스텐 카바이드
볼 지름	10 mm

7주기 동안 사용된 테스트 기간은 다음과 같습니다. 2, 4, 8, 20, 40, 60, 120초로 각각 이동했습니다. 이동 거리는 다음과 같습니다. 0.40, 0.81, 1.66, 4.16, 8.36, 12.55, 25.11미터.

마모 매핑 결과

목재 바닥재

*테스트 주기*	*최대 COF*	*최소 COF*	*Avg. COF*
1	0.335	0.124	0.275
2	0.337	0.207	0.295
3	0.380	0.229	0.329
4	0.393	0.265	0.354
5	0.352	0.205	0.314
6	0.345	0.199	0.312
7	0.315	0.211	0.293

방사형 방향

*테스트 주기*	*총 부피 손실(µm3*	총 거리 이동 거리(m)	마모율 (mm/Nm) x10^-5	순간 마모율 (mm/Nm) x10^-5
1	296247687	0.40	1833.746	1833.746
2	355245227	1.22	1093.260	181.5637
3	596371326	2.88	898.242	363.1791
4	883747767	7.04	530.629	172.5496
5	1207179951	15.40	360.889	96.69074
6	1472745318	27.95	293.329	52.89311
7	1851319210	53.06	184.343	37.69599

그림 2: 마모율 대비 총 이동 거리(왼쪽)
목재 바닥재의 순간 마모율과 테스트 주기(오른쪽)를 비교한 결과입니다.

그림 3: 목재 바닥에서 테스트한 #7의 마모 트랙의 COF 그래프 및 3D 보기.

그림 4: 테스트 #7의 목재 마모 트랙 단면 분석

그림 5: 목재 샘플 테스트 #7에서 마모 트랙의 부피 및 면적 분석.

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마모 매핑 결과

석재 바닥재

*테스트 주기*	*최대 COF*	*최소 COF*	*Avg. COF*
1	0.249	0.035	0.186
2	0.349	0.197	0.275
3	0.294	0.154	0.221
4	0.503	0.124	0.273
5	0.548	0.106	0.390
6	0.510	0.129	0.434
7	0.527	0.181	0.472

방사형 방향

*테스트 주기*	*총 부피 손실(µm3*	총 거리 이동 거리(m)	마모율 (mm/Nm) x10^-5	순간 마모율 (mm/Nm) x10^-5
1	96278846	0.40	595.957	595.9573
2	804289731	1.22	2475.185	2178.889
3	1316147855	2.88	1982.355	770.9501
4	3136530215	7.04	1883.269	1093.013
5	10821732180	15.40	3235.180	2297.508
6	20174960343	27.95	4018.282	1862.899
7	42512063420	53.06	4233.081	2224.187

그림 6: 마모율 대비 총 이동 거리(왼쪽)
석재 바닥재의 순간 마모율과 테스트 주기(오른쪽)를 비교합니다.

그림 7: 석재 바닥에서 테스트한 #7의 마모 트랙의 COF 그래프 및 3D 보기.

그림 8: 테스트 #7의 스톤 마모 트랙 단면 분석.

그림 9: 석재 샘플 테스트 #7에서 마모 트랙의 부피 및 면적 분석.

전체 결과 세부 정보를 보려면 여기를 클릭하세요.

토론

순간 마모율은 다음 공식을 사용하여 계산합니다:

여기서 V는 구멍의 부피, N은 하중, X는 총 거리이며, 이 방정식은 테스트 주기 사이의 마모율을 설명합니다. 순간 마모율은 테스트 전반에 걸친 마모율의 변화를 더 잘 파악하는 데 사용할 수 있습니다.

두 샘플의 마모 거동은 매우 다릅니다. 시간이 지남에 따라 목재 바닥재는 높은 마모율로 시작하지만 빠르게 더 작고 일정한 값으로 떨어집니다. 석재 바닥재의 경우 마모율은 낮은 값에서 시작하여 주기에 따라 더 높은 값으로 증가하는 경향을 보입니다. 순간 마모율도 일관성이 거의 없습니다. 이 차이의 구체적인 이유는 확실하지 않지만 샘플의 구조 때문일 수 있습니다. 석재 바닥재는 나뭇결 같은 입자로 이루어져 있어 목재의 촘촘한 구조와 다르게 마모되는 것으로 보입니다. 이러한 마모 현상의 원인을 확인하려면 추가적인 테스트와 연구가 필요합니다.

마찰 계수(COF)의 데이터는 관찰된 마모 거동과 일치하는 것으로 보입니다. 목재 바닥재의 COF 그래프는 사이클 전체에 걸쳐 일관되게 나타나며 꾸준한 마모율을 보완합니다. 석재 바닥재의 경우 사이클에 따라 마모율도 증가하는 것과 유사하게 사이클 전반에 걸쳐 평균 COF가 증가합니다. 마찰 그래프의 모양에도 뚜렷한 변화가 있어 공이 석재 샘플과 상호 작용하는 방식에 변화가 있음을 알 수 있습니다. 이는 사이클 2와 사이클 4에서 가장 두드러집니다.

결론

나노베아 T2000 트라이보미터는 두 개의 서로 다른 바닥재 샘플 사이의 마모율을 분석하여 점진적 마모 매핑을 수행할 수 있는 기능을 선보입니다. 연속 마모 테스트를 일시 중지하고 나노베아 3D 비접촉 프로파일로미터로 표면을 스캔하면 시간에 따른 재료의 마모 거동에 대한 귀중한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

3D 비접촉식 프로파일로미터가 통합된 나노베아 T2000 트라이보미터는 COF(마찰 계수) 데이터, 표면 측정, 깊이 판독, 표면 시각화, 체적 손실, 마모율 등을 포함한 다양한 데이터를 제공합니다. 이 포괄적인 정보 세트를 통해 사용자는 시스템과 시료 간의 상호 작용에 대해 더 깊이 이해할 수 있습니다. 제어된 하중, 고정밀, 사용 편의성, 높은 하중, 넓은 속도 범위 및 추가 환경 모듈을 갖춘 NANOVEA T2000 트라이보미터는 마찰학을 한 차원 더 높은 수준으로 끌어올립니다.

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나노 인덴테이션을 이용한 코르크의 동적 역학 분석

동적 기계 분석

나노 인덴테이션을 사용한 코르크의

작성자

프랭크 리우

소개

동적 기계 분석(DMA)은 재료의 기계적 특성을 조사하는 데 사용되는 강력한 기술입니다. 이 애플리케이션에서는 와인 밀봉 및 숙성 공정에 널리 사용되는 재료인 코르크의 분석에 중점을 둡니다. 떡갈나무의 껍질에서 얻은 코르크는 합성 폴리머와 유사한 기계적 특성을 제공하는 독특한 세포 구조를 나타냅니다. 한 축에서 코르크는 벌집 구조를 가지고 있습니다. 다른 두 축은 직사각형과 같은 여러 개의 프리즘 구조로 되어 있습니다. 따라서 코르크는 테스트하는 방향에 따라 서로 다른 기계적 특성을 제공합니다.

코르크 기계적 물성 평가에서 동적 기계 분석(DMA) 테스트의 중요성

코르크의 품질은 코르크의 기계적 및 물리적 특성에 따라 크게 달라지며, 이는 와인 마개의 효율성에 결정적인 영향을 미칩니다. 코르크 품질을 결정하는 주요 요인으로는 유연성, 단열성, 복원력, 기체 및 액체 불투과성 등이 있습니다. 동적 기계 분석(DMA) 테스트를 활용하면 코르크의 유연성 및 복원력을 정량적으로 평가할 수 있어 신뢰할 수 있는 평가 방법을 제공합니다.

나노베아 PB1000 기계식 테스터는 나노 인덴테이션 모드를 사용하면 이러한 특성, 특히 영탄성률, 저장탄성률, 손실탄성률 및 탄델타(탄(δ))를 분석할 수 있습니다. 또한 DMA 테스트를 통해 코르크 소재의 상변이, 경도, 응력 및 변형률에 대한 귀중한 데이터를 수집할 수 있습니다. 이러한 종합적인 분석을 통해 코르크의 기계적 거동과 와인 마개 용도에 대한 적합성에 대한 심층적인 통찰력을 얻을 수 있습니다.

측정 목표

이 연구에서는 나노인덴테이션 모드에서 나노베아 PB1000 기계식 테스터를 사용하여 4개의 코르크 마개에 대해 동적 기계 분석(DMA)을 수행합니다. 코르크 마개의 품질은 다음과 같이 표시됩니다: 1 - 플로르, 2 - 퍼스트, 3 - 콜메이트, 4 - 합성 고무. 각 코르크 마개에 대해 축 방향과 반경 방향 모두에서 DMA 압흔 테스트를 실시했습니다. 코르크 마개의 기계적 반응을 분석하여 동적 거동에 대한 통찰력을 얻고 다양한 방향에서 성능을 평가하고자 했습니다.

나노비아

PB1000

테스트 매개변수

최대 힘	75mN
로딩 속도	150mN/min
하역 요금	150mN/min
증폭도	5mN
주파수	1Hz
CREEP	60 s

들여쓰기 유형

공

51200 강철

직경 3mm

결과

아래 표와 그래프에서는 각 샘플과 방향에 따른 영탄성계수, 저장탄성계수, 손실탄성계수 및 탄젠트 델타를 비교합니다.

영의 계수: 강성; 값이 높으면 강성, 낮으면 유연성을 나타냅니다.

스토리지 모듈러스: 탄성 반응; 재료에 저장된 에너지.

손실 계수: 점성 반응; 열로 인한 에너지 손실.

황갈색(δ): 댐핑; 값이 클수록 더 많은 댐핑을 나타냅니다.

축 방향

*스토퍼*	*영의 계수*	*스토리지 모듈러스*	*손실률*	*TAN*
#	*(MPa)*	*(MPa)*	*(MPa)*	*(δ)*
1	22.5675	22.27209	3.624947	0.162964
2	18.54664	18.27153	3.162349	0.17409
3	23.75381	23.47267	3.617819	0.154592
4	23.6972	23.58064	2.347008	0.099539

방사형 방향

*스토퍼*	*영의 계수*	*스토리지 모듈러스*	*손실률*	*TAN*
#	*(MPa)*	*(MPa)*	*(MPa)*	*(δ)*
1	24.78863	24.56542	3.308224	0.134865
2	26.66614	26.31739	4.286216	0.163006
3	44.07867	43.61426	6.365979	0.146033
4	28.04751	27.94148	2.435978	0.087173

영의 계수

스토리지 모듈러스

손실률

탠 델타

축 방향으로 테스트했을 때 코르크 마개의 영탄성계수는 크게 다르지 않습니다. 스토퍼 #2와 #3만 반경 방향과 축 방향의 영 탄성률에서 뚜렷한 차이를 보였습니다. 결과적으로 저장 탄성률과 손실 탄성률도 축 방향보다 반경 방향에서 더 높습니다. 스토퍼 #4는 손실 계수를 제외하고는 천연 코르크 마개와 비슷한 특성을 보입니다. 이는 천연 코르크가 합성 고무 소재보다 점성이 더 높다는 것을 의미하기 때문에 매우 흥미로운 결과입니다.

결론

나노베아 기계 테스터 Nano Scratch Tester 모드에서는 페인트 코팅 및 하드 코팅의 다양한 실제 실패를 시뮬레이션할 수 있습니다. 제어되고 면밀히 모니터링되는 방식으로 증가하는 부하를 적용함으로써 계측기는 어떤 부하 오류가 발생하는지 식별할 수 있습니다. 이는 긁힘 방지에 대한 정량적 값을 결정하는 방법으로 사용될 수 있습니다. 풍화 작용 없이 테스트된 코팅은 약 22mN에서 첫 번째 균열이 있는 것으로 알려져 있습니다. 5mN에 가까운 값을 사용하면 7년 랩으로 인해 페인트 품질이 저하된 것이 분명합니다.

원래 프로파일을 보정하면 스크래치 중 보정된 깊이를 얻을 수 있으며 스크래치 후 잔류 깊이도 측정할 수 있습니다. 이를 통해 하중 증가에 따른 코팅의 소성 및 탄성 거동에 대한 추가 정보를 얻을 수 있습니다. 균열과 변형에 대한 정보는 모두 하드코트 개선에 유용하게 사용될 수 있습니다. 또한 표준 편차가 매우 작아 제조업체가 하드 코트/도료의 품질을 개선하고 풍화 효과를 연구하는 데 도움이 될 수 있는 계측기 기술의 재현성을 보여줍니다.

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금속 기판에 페인트의 비율

작성자

수잔 카벨로

소개

하드코트가 있든 없든 페인트는 가장 일반적으로 사용되는 코팅 중 하나입니다. 자동차, 벽, 가전제품 등 보호 코팅이 필요하거나 단순히 미적 목적이 있는 거의 모든 곳에서 페인트를 볼 수 있습니다. 기본 기질을 보호하기 위한 페인트에는 종종 페인트에 불이 붙는 것을 방지하거나 페인트의 색이 변하거나 갈라지는 것을 방지하는 화학 물질이 포함되어 있습니다. 미적 목적으로 사용되는 페인트는 종종 다양한 색상으로 제공되지만 반드시 기질을 보호하거나 긴 수명을 위한 것이 아닐 수도 있습니다.

그럼에도 불구하고 모든 페인트는 시간이 지남에 따라 약간의 풍화를 겪습니다. 페인트의 풍화는 종종 제조사가 의도한 것과 다른 특성을 만들 수 있습니다. 더 빨리 부서지거나 열에 의해 벗겨지거나 색이 바래거나 갈라질 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 페인트의 특성이 다양하게 변하기 때문에 제조업체는 다양한 페인트를 제공합니다. 페인트는 개별 고객의 다양한 요구 사항을 충족하도록 맞춤 제작됩니다.

품질 관리를 위한 나노 스크래치 테스트의 중요성

페인트 제조업체의 주요 관심사는 제품이 균열을 견딜 수 있는 능력입니다. 페인트가 갈라지기 시작하면 페인트가 도포된 기질을 보호하지 못하기 때문에 고객을 만족시키지 못합니다. 예를 들어, 나뭇가지가 자동차 측면에 부딪혀 페인트가 갈라지기 시작하면 페인트 제조업체는 페인트의 품질 저하로 인해 사업을 잃게 될 것입니다. 페인트 아래의 금속이 노출되면 새로운 노출로 인해 녹이 슬거나 부식되기 시작할 수 있기 때문에 페인트의 품질은 매우 중요합니다.

이와 같은 이유는 가정 및 사무용품, 전자제품, 장난감, 연구 도구 등 다양한 분야에 적용됩니다. 페인트를 처음 금속 코팅에 적용했을 때는 균열에 강할 수 있지만, 샘플에 풍화가 발생하면 시간이 지남에 따라 특성이 변할 수 있습니다. 그렇기 때문에 페인트 샘플을 풍화 단계에서 테스트하는 것이 매우 중요합니다. 높은 응력 하에서 균열은 불가피할 수 있지만, 제조업체는 소비자에게 최상의 제품을 제공하기 위해 시간이 지남에 따라 변화가 얼마나 약화될 수 있는지, 영향을 미치는 스크래치가 얼마나 깊어야 하는지 예측해야 합니다.

측정 목표

샘플의 거동 효과를 관찰하기 위해서는 제어되고 모니터링되는 방식으로 스크래치 과정을 시뮬레이션해야 합니다. 이 어플리케이션에서는 나노 스크래치 테스트 모드의 NANOVEA PB1000 기계식 테스터를 사용하여 금속 기판의 약 7 년 된 30-50 μm 두께의 페인트 샘플에 고장을 일으키는 데 필요한 하중을 측정합니다.

2μm 다이아몬드 팁 스타일러스를 0.015mN ~ 20.00mN 범위의 점진적 하중으로 사용하여 코팅을 스크래치했습니다. 스크래치의 실제 깊이 값을 결정하기 위해 0.2mN 하중으로 페인트의 사전 및 사후 스캔을 수행했습니다. 실제 깊이는 테스트 중 샘플의 소성 및 탄성 변형을 분석하는 반면, 사후 스캔은 스크래치의 소성 변형만 분석합니다. 균열로 인해 코팅이 실패한 지점을 실패 지점으로 간주합니다. 테스트 매개변수를 결정하기 위해 ASTMD7187을 기준으로 사용했습니다.

풍화된 샘플을 사용했기 때문에 약한 단계에서 페인트 샘플을 테스트하면 실패 지점이 더 낮다는 결론을 내릴 수 있습니다.

이 샘플에 대해 다음과 같은 5가지 테스트를 수행했습니다.

정확한 장애 임계 부하를 결정합니다.

나노비아

PB1000

테스트 매개변수

다음 ASTM D7027

거칠기 표준의 표면은 그림 1과 같이 192개의 밝은 선을 생성하는 고속 센서가 장착된 나노베아 ST400을 사용하여 스캔했습니다. 이 192개의 포인트가 동시에 샘플 표면을 스캔하기 때문에 스캔 속도가 크게 향상되었습니다.

로드 유형	프로그레시브
초기 로드	0.015 mN
최종 로드	20mN
로딩 속도	20mN/min
스크래치 길이	1.6mm
스크래치 속도, dx/dt	1.601mm/min
사전 스캔 로드	0.2mN
스캔 후 로드	0.2mN

들여쓰기 유형

원뿔형

다이아몬드 90° 콘

2 µm 팁 반경

결과

이 섹션에서는 스크래치 테스트 중 장애에 대해 수집된 데이터를 제시합니다. 첫 번째 섹션에서는 스크래치에서 관찰된 장애를 설명하고 보고된 임계 부하를 정의합니다. 다음 부분에는 모든 샘플의 임계 하중에 대한 요약 표와 그래픽 표현이 포함되어 있습니다. 마지막 부분에서는 각 스크래치에 대한 임계 하중, 각 불량의 현미경 사진, 테스트 그래프 등 각 샘플에 대한 자세한 결과를 제시합니다.

관찰된 장애 및 임계 부하 정의

중대한 실패:

초기 피해

스크래치 트랙을 따라 손상이 관찰되는 첫 번째 지점입니다.

중대한 실패:

완전한 손상

이 시점에서 스크래치 트랙을 따라 페인트가 깨지고 갈라지는 부분이 더 크게 손상됩니다.

자세한 결과

* 기판 균열 지점에서 측정한 실패 값입니다.

크리티컬 로드
스크래치	초기 피해 [mN]	전체 손상 [µm]
1	14.513	4.932
2	3.895	4.838
3	3.917	4.930

평균	3.988	4.900
STD 개발	0.143	0.054

그림 2: 전체 스크래치 현미경 사진(1000배 확대).

그림 3: 초기 손상 현미경 사진(1000배 확대).

그림 4: 전체 손상 현미경 사진(1000배 확대).

그림 5: 마찰력 및 마찰 계수.

그림 6: 표면 프로필.

그림 7: 실제 깊이와 잔여 깊이.

결론

나노베아 기계 테스터 에서 나노 스크래치 테스터 모드를 사용하면 페인트 코팅 및 하드 코팅의 많은 실제 실패를 시뮬레이션할 수 있습니다. 제어되고 면밀히 모니터링되는 방식으로 하중을 증가시킴으로써 어떤 하중에서 고장이 발생하는지 파악할 수 있습니다. 이를 통해 스크래치 저항에 대한 정량적 값을 결정할 수 있습니다. 내후성이 없는 상태에서 테스트한 코팅은 약 22mN에서 첫 번째 균열이 발생하는 것으로 알려져 있습니다. 5mN에 가까운 값은 7년의 랩핑으로 인해 페인트의 성능이 저하되었음을 나타냅니다.

원래 프로파일을 보정하면 스크래치 중에 보정된 깊이를 얻고 스크래치 후 잔류 깊이를 측정할 수 있습니다. 이를 통해 하중 증가에 따른 코팅의 소성 및 탄성 거동에 대한 추가 정보를 얻을 수 있습니다. 균열과 변형에 대한 정보는 모두 하드코트 개선에 유용하게 사용될 수 있습니다. 또한 표준 편차가 매우 작아 제조업체가 하드 코트/도료의 품질을 개선하고 풍화 효과를 연구하는 데 도움이 될 수 있는 계측기 기술의 재현성을 보여줍니다.

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