划痕仪的作用
划痕仪回答一个实际问题：带涂层的表面在受损前能承受多大的载荷，又会以何种方式失效？它在受控法向载荷下使压头划过表面并记录响应，然后对划痕成像，以定位每一处失效并对应到载荷。工具上的硬质涂层、涂料和清漆、光学与电子薄膜、聚合物涂层和医疗器械涂层，都用这种方法进行评定。
由于结果是发生某种确定失效时的载荷，划痕测试速度快，也便于在样品、工艺或供应商之间比较。因此它既用于涂层开发，也用于生产质量控制。
仪器化划痕仪的工作原理
- 借助集成的视频显微镜，将样品定位在压头下方。
- 可选：以极低载荷进行预扫描，记录将要划过路径上的表面轮廓。
- 压头沿设定长度移动，同时施加法向载荷：渐进测试中线性增加，恒载测试中保持不变。
- 连续记录压入深度、摩擦力和声发射。
- 以低载荷进行后扫描得到残余深度。与预扫描和压入深度比较，即可区分弹性回复和永久变形（True Depth，欧洲专利号 0663068）。
- 跟踪放大视图对整条划痕成像，定位每一处失效并换算为临界载荷。
划痕测试的类型
- 渐增载荷： 载荷沿划痕线性增加。依据 ASTM C1624、ISO 20502 或 ASTM D7027，一次划过即可得到内聚失效（开裂、崩落）和界面附着失效（剥离）的临界载荷。
- 恒定载荷： 载荷固定。用于依据 ASTM G171 测定划痕硬度、评估耐擦伤性以及检查表面均匀性。
- 多道次与往复： 压头以低于临界值的载荷反复划过同一轨迹，显示损伤如何累积以及涂层能承受多少次划过。参见多道次磨损。
纳米、微米还是宏观：选择载荷范围
合适的划痕仪取决于涂层的厚度和硬度。载荷过高会直接划穿薄膜；载荷过低则永远无法使硬质涂层失效。
- 纳米划痕采用压电驱动器、80 mN 至 4800 mN 的载荷量程和细压头（已发表研究中半径小至 2 µm），适用于薄膜、涂料、聚合物涂层以及支架支柱等微小结构。
- 微米划痕采用伺服电机、20 N 至 400 N 的载荷量程以及洛氏 C 或球锥形压头，适用于氮化物、DLC 等硬质涂层、金属上的涂料和电极涂层。
- 宏观划痕在摩擦磨损试验机上使用半径 200、500 或 800 µm 的压头，适用于阳极氧化层等厚而非常硬的涂层。
PB1000 同时搭载纳米和微米模块，无需将样品移到另一台仪器，即可在两种尺度上测试同一涂层体系。
选择划痕仪时应关注什么
- 直接垂直加载：独立的载荷与深度传感器加上闭环载荷控制，施加的载荷即为测得的载荷，没有悬臂或支点。
- 所需尺度下的分辨率与噪声：NANOVEA 模块以 24 位采集载荷和深度，并以 150 至 400 kHz、0.005 aJ 灵敏度测量声发射。
- 整条划痕成像，而非单张图像，测试后可定位并复查每一处失效。
- 定位与自动化：可测试高度差达 50 mm 的多个样品，支持按图布置的系列划痕和保存的测试方案，实现可重复的质量控制。
- 环境：高温、低温、湿度和液体模块，适用于在高温、低温或潮湿条件下工作的涂层。
- 同一系统上的压痕测试，因为硬度和弹性模量有助于解释涂层为何在该处失效。
如何解读划痕结果
临界载荷不是附着力的绝对值。除结合本身外，它还取决于压头半径、加载速率、涂层厚度、基材硬度和摩擦。因此，划痕测试最适合在相同且注明的条件下进行比较：涂层排序、沉积工艺比较以及生产批次检查。深度和残余深度数据补充了图像本身无法显示的信息，例如变形中有多少是弹性的，以及涂层在什么深度失效。
