摩擦测试 | 摩擦系数应用说明 - NANOVEA：用于材料测试的先进轮廓仪、摩擦磨损仪、纳米压痕仪和划痕测试仪

工业涂料的划痕和磨损评估

nanovea — Fri, 27 May 2022 22:23:41 +0000

工业涂料

使用摩擦试验机进行划痕和磨损评估

编写者

李端杰博士和安德烈亚-赫尔曼博士

简介

丙烯酸聚氨酯漆是一种快干保护涂料，广泛用于各种工业应用，如地板漆、汽车漆等。当作为地坪漆使用时，它可以服务于人流和胶轮车流量大的地方，如人行道、路边和停车场。

划痕和磨损测试对质量控制的重要性

传统上，根据ASTM D4060标准，采用Taber磨损试验来评估丙烯酸聚氨酯地坪漆的耐磨性。然而，正如标准中所提到的，"对于某些材料，由于测试过程中车轮的磨料特性发生变化，使用Taber磨料磨具进行的磨损测试可能会发生变化。“1这可能导致检测结果的可重复性差，并造成比较不同实验室报告的值的困难。此外，在Taber磨损试验中，耐磨性计算为在指定次数的磨损循环下的重量损失。而丙烯酸聚氨酯地坪漆的推荐干膜厚度为37.5 ~ 50 μm2。

Taber Abraser的侵蚀性磨蚀过程可以迅速磨穿丙烯酸聚氨酯涂层，并造成基材的质量损失，从而导致涂料重量损失计算的巨大误差。在磨蚀试验过程中，磨料颗粒植入涂料中也会造成误差。因此，一个控制良好的可量化和可靠的测量对于确保涂料的可重复性磨损评估至关重要。此外，还有划痕测试允许用户在实际应用中检测到过早的粘合剂/胶粘剂失效。

测量目标

在这项研究中，我们展示了 NANOVEA 摩擦计和微纳米力学测试系统是工业涂料评估和质量控制的理想选择。

使用NANOVEA摩擦仪，以控制和监测的方式模拟不同面漆的丙烯酸聚氨酯地板漆的磨损过程。微量划痕测试被用来测量导致涂料内聚或粘合失效所需的负荷。

NANOVEA T100

紧凑型气动摩擦仪

NANOVEA PB1000

大型平台机械测试仪

测试程序

本研究评估了四种市售的水性丙烯酸地板涂料，它们具有相同的底漆（基底漆）和相同配方的不同面漆，为了提高耐久性，在添加剂的混合上有小的变化。这四种涂料被确定为样品A、B、C和D。

磨损测试

NANOVEA 摩擦计用于评估摩擦学行为，例如摩擦系数、COF 和耐磨性。将 SS440 球头（直径 6 毫米，等级 100）应用于测试涂料。 COF 是现场记录的。磨损率K的计算公式为K=V/(F×s)=A/(F×n)，其中V为磨损体积，F为法向载荷，s为滑动距离，A为磨损轨迹的横截面积，n是转数。表面粗糙度和磨损轨迹轮廓由 NANOVEA 评估光学轮廓仪，并使用光学显微镜检查磨损轨迹形态。

磨损测试参数

常态力

20 N

速度

15米/分钟

测试时间

100、150、300和800周期

划痕测试

配备了罗克韦尔C金刚石触控笔(200 μm半径)的NANOVEA机械测试仪使用微刮擦测试模式对油漆样品进行渐进负载刮擦测试。使用了两种最终负载:5 N的最终负载用于研究底漆上的油漆分层，35 N的最终负载用于研究金属基材上的底漆分层。对每个样品在相同的测试条件下重复进行三次测试，以确保结果的可重复性。

整个划痕长度的全景图像被自动生成，它们的临界失效位置被系统软件与施加的载荷相关联。这一软件功能便于用户随时对划痕进行分析，而不是在划痕测试后立即在显微镜下确定临界载荷。

划痕测试参数

装载类型	渐进的
初始负载	0.01 mN
终极装载	5 N / 35 N
装载率	10 / 70 N/min
划痕长度	3毫米
刮擦速度，dx/dt	6.0毫米/分钟
压头的几何形状	120º锥体
压印材料（尖端）	钻石
压头半径	200 μm

磨损测试结果

在不同转数(100、150、300和800循环)下，对每个样品进行了四次针对盘磨损试验，以监测磨损的演变。在进行磨损测试之前，用NANOVEA 3D非接触剖面仪测量样品的表面形貌，以量化表面粗糙度。所有样品的表面粗糙度均约为1 μm，如图1所示。COF在磨损试验中原地记录，如图2所示。图4为100、150、300和800循环后的磨损轨迹演变，图3为不同样品在磨损过程不同阶段的平均磨损率。

与其他三种样品的COF值~0.07相比，样品a的COF值在开始时要高得多，为~0.15，经过300次磨损循环后，COF值逐渐增加，稳定在~0.3。如此高的COF加速了磨损过程，并产生了大量的油漆碎片，如图4所示——样品a的面漆在前100转中已经开始被去除。如图3所示，样品A在前300个循环中磨损率最高，为~5 μm2/N，由于金属基体的耐磨性较好，磨损率略微下降到~3.5 μm2/N。样品C的面漆在150次磨损后开始失效，如图4所示，图2中COF的增加也说明了这一点。

相比之下，样品B和样品D表现出增强的摩擦学性能。样品B在整个测试过程中保持较低的COF - COF从~0.05轻微增加到~0.1。这样的润滑效果大大提高了它的耐磨性-面漆在800次磨损循环后仍然对底漆提供优越的保护。样品B在800次循环时的最低平均磨损率仅为~0.77 μm2/N。样品D的面漆在375次循环后开始分层，从图2中COF的突然增加可以看出。样品D在800次循环时的平均磨损率约为1.1 μm2/N。

与传统的Taber磨损测量相比，NANOVEA摩擦仪提供了良好控制的可量化和可靠的磨损评估，确保了商业地板/汽车涂料的可重复性评估和质量控制。此外，原位COF测量的能力使用户能够将磨损过程的不同阶段与COF的演变联系起来，这对于提高对各种油漆涂层的磨损机制和摩擦学特性的基本认识至关重要。

图1: 涂料样品的三维形态和粗糙度。

图2: 在引脚磁盘测试期间，COF。

图3: 不同涂料的磨损率的演变。

图4: 钉盘试验期间磨损痕迹的演变。

划痕测试结果

图5显示了以样品A为例，法向力、摩擦力和真实深度与划痕长度的关系图。可以安装一个可选的声发射模块来提供更多信息。随着法向载荷的线性增加，压痕尖端逐渐下沉到被测样品中，这反映在真实深度的逐渐增加上。摩擦力和真实深度曲线的斜率变化可以作为涂层开始出现故障的含义之一。

图5: 法向力、摩擦力和真实深度与划痕长度的关系。最大载荷为5N的样品A的划痕测试。

图6和图7显示了在最大载荷为5N和35N的情况下测试的所有四个油漆样品的全部划痕。样品D需要更高的负荷，即50N才能使底漆脱层。在5N的最终载荷下的划痕测试（图6）评估了面漆的内聚/粘附失效，而在35N的测试（图7）评估了底漆的分层。显微照片中的箭头表示顶层涂料或底层涂料开始从底层或基材上完全脱落的点。在这一点上的载荷，即所谓的临界载荷，Lc，是用来比较涂料的内聚力或粘合力的，如表1所总结的。

很明显，油漆样品D具有最好的界面附着力——在油漆分层处显示出最高的Lc值4.04 N，在底漆分层处显示出36.61 N。样品B显示出第二好的耐刮性。从划痕分析中，我们发现涂料配方的优化对丙烯酸地板涂料的力学性能，或更具体地说，耐划痕性和粘附性至关重要。

表1: 关键负荷的总结。

图6: 最大负荷为5N的完全划痕的显微照片。

图7: 最大负荷为35N的完全划痕的显微照片。

结论

与传统的Taber磨蚀测量相比，NANOVEA机械测试仪和摩擦仪是商业地板和汽车涂料评估和质量控制的卓越工具。NANOVEA机械测试仪在划痕模式下可以检测涂层系统中的附着力/内聚力问题。NANOVEA摩擦仪对涂料的耐磨性和摩擦系数提供了良好控制的可量化和可重复的摩擦学分析。

基于对本研究中测试的水基丙烯酸地板涂料的综合摩擦学和机械分析，我们表明样品B拥有最低的COF和磨损率，以及第二好的耐刮擦性，而样品D表现出最好的耐刮擦性和第二好的耐磨性。这一评估使我们能够评估和选择针对不同应用环境需求的最佳候选人。

NANOVEA机械测试仪的纳米和微模块都包括ISO和ASTM兼容的压痕，划痕和磨损测试模式，提供了最广泛的测试范围，可在单个模块上进行油漆评估。NANOVEA摩擦计使用符合ISO和ASTM标准的旋转和线性模式提供精确和可重复的磨损和摩擦测试，并可在一个预先集成的系统中提供可选的高温磨损、润滑和摩擦腐蚀模块。NANOVEA无与伦比的范围是确定薄或厚、软或硬涂层、薄膜和基材的全套机械/摩擦学性能的理想解决方案，包括硬度、杨氏模量、断裂韧性、附着力、耐磨性和许多其他性能。可选NANOVEA非接触式光学剖面仪可用于划痕和磨损轨迹的高分辨率三维成像，以及其他表面测量，如粗糙度。

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氮化钛涂层划痕测试

nanovea — Tue, 05 Apr 2022 20:35:46 +0000

氮化钛涂层划痕测试

质量控制检查

编写者

李端杰，博士

简介

高硬度、优异的耐磨性、耐腐蚀性和惰性的结合使氮化钛（TiN）成为各行业金属部件的理想保护涂层。例如，氮化钛涂层的边缘保持性和耐腐蚀性可以大幅提高工作效率，延长剃须刀、金属切割机、注塑模具和锯床等机械工具的使用寿命。它的高硬度、惰性和无毒性使TiN成为医疗设备（包括植入物和手术器械）应用的最佳选择。

TiN涂层刮擦测试的重要性

保护性PVD/CVD涂层中的残余应力对涂层部件的性能和机械完整性起着关键作用。残余应力来自几个主要来源，包括生长应力、热梯度、几何约束和使用应力¹。在高温下涂层沉积过程中，涂层和基体之间产生的热膨胀不匹配导致了高热残余应力。此外，TiN涂层工具经常在非常高的集中应力下使用，例如钻头和轴承。开发一个可靠的质量控制程序来定量检测保护性功能涂层的内聚力和粘合力是至关重要的。

[1] V. Teixeira, Vacuum 64 (2002) 393-399.

测量目标

在这项研究中，我们展示了 NANOVEA 微纳米力学测试系统划痕模式非常适合以受控和定量的方式评估 TiN 保护涂层的内聚/粘合强度。

NANOVEA

PB1000

测试条件

NANOVEA PB1000机械测试仪被用来进行涂层划痕测试在三个TiN涂层上使用相同的测试参数，总结如下：

装载模式。渐进式线性

初始负载

0.02 N

终极装载

10 N

装载率

20 N/min

划痕长度

5毫米

缩略语类型

球状体-锥形体

钻石，半径为20微米

结果与讨论

图1显示了测试过程中穿透深度、摩擦系数（COF）和声发射的演变记录。图2显示了TiN样品上的全部微划痕。不同临界载荷下的失效行为显示在图3中，其中临界载荷Lc1被定义为划痕中出现第一条粘性裂纹的载荷，Lc2是发生反复剥落的载荷，Lc3是涂层从基体上完全去除的载荷。图4中总结了TiN涂层的临界载荷（Lc）值。

渗透深度、COF和声发射的演变提供了对不同阶段涂层失效机制的深入了解，这些阶段在本研究中由临界载荷代表。可以观察到，样品A和样品B在划痕测试中表现出类似的行为。测针逐渐深入样品，深度为~0.06毫米，在涂层划痕试验开始时，随着法向载荷的线性增加，COF逐渐增加到~0.3。当达到~3.3 N的Lc1时，出现了崩裂失效的第一个迹象。这也反映在穿透深度、COF和声发射图中的第一个大峰值。当载荷继续增加到Lc2的~3.8 N时，穿透深度、COF和声发射的进一步波动发生了。我们可以观察到在划痕的两边都存在连续的剥落故障。在Lc3，涂层在测针施加的高压下从金属基体上完全剥离，使基体暴露在外面，没有受到保护。

相比之下，样品C在涂层划痕试验的不同阶段表现出较低的临界载荷，这也反映在涂层划痕试验期间的穿透深度、摩擦系数（COF）和声发射的演变上。与样品A和样品B相比，样品C在顶部TiN涂层和金属基材之间的界面上拥有一个硬度较低、应力较高的粘附夹层。

这项研究证明了适当的基材支撑和涂层结构对涂层系统质量的重要性。更强的夹层可以在高的外部负荷和集中应力下更好地抵抗变形，从而提高涂层/基体系统的内聚力和粘合力。

图1: TiN样品的渗透深度、COF和声发射的演变。

图2: 测试后的TiN涂层的全部划痕。

图3: 不同临界载荷下的TiN涂层失效，Lc。

图4: TiN涂层的临界载荷（Lc）值摘要。

结论

在这项研究中，我们展示了NANOVEA PB1000机械测试仪在受控和密切监测的情况下对TiN涂层的样品进行可靠和准确的划痕测试。划痕测量使用户能够快速确定典型的内聚性和粘合性涂层失效的临界负荷。我们的仪器是卓越的质量控制工具，可以定量地检查和比较涂层的内在质量和涂层/基体系统的界面完整性。具有适当夹层的涂层可以在高的外部负荷和集中应力下抵抗大的变形，并提高涂层/基体系统的内聚力和粘合力。

NANOVEA机械测试仪的纳米和微米模块都包括符合ISO和ASTM标准的压痕、划痕和磨损测试仪模式，在一个系统中提供了最广泛和最方便的测试范围。NANOVEA无与伦比的范围是确定薄或厚、软或硬的涂层、薄膜和基材的全部机械性能的理想解决方案，包括硬度、杨氏模量、断裂韧性、附着力、耐磨性和许多其他性能。

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极低速度下的摩擦评估

nanovea — Sun, 19 Jan 2020 18:16:06 +0000

低速时摩擦评估的重要性

摩擦是抵制固体表面相互滑动的相对运动的力量。当这两个接触面发生相对运动时，界面上的摩擦将动能转化为热能。这样的过程也会导致材料的磨损，从而导致使用中的部件的性能下降。
由于具有较大的拉伸率和高弹性，以及巨大的防水性能和耐磨性，橡胶被广泛地应用于各种摩擦起重要作用的应用和产品中，如汽车轮胎、挡风玻璃雨刷片、鞋底和许多其他产品。根据这些应用的性质和要求，对不同材料的高或低摩擦都是需要的。因此，控制和可靠地测量橡胶对各种表面的摩擦变得至关重要。

测量目标

使用 Nanovea 以受控和监测的方式测量橡胶与不同材料的摩擦系数 (COF) 摩擦仪。在这项研究中，我们希望展示 Nanovea Tribometer 在极低速度下测量不同材料 COF 的能力。

结果和讨论

用Nanovea摩擦仪评估了橡胶球（直径6毫米，RubberMill）在三种材料（不锈钢SS316，铜110和可选的丙烯酸）上的摩擦系数（COF）。在测量之前，被测试的金属样品被机械地打磨成镜面状的表面。橡胶球在施加法向载荷下的轻微变形产生了一个区域接触，这也有助于减少样品表面粗糙度或不均匀性对COF测量的影响。测试参数总结于表1。

一个橡胶球在四个不同速度下对不同材料的COF显示在图中。2，由软件自动计算的平均COFs在图3中进行了总结和比较。有趣的是，金属样品（SS 316和Cu 110）随着转速从非常低的0.01 rpm增加到5 rpm，COF明显增加--橡胶/SS 316夫妇的COF值从0.29增加到0.8，而橡胶/Cu 110夫妇的COF从0.65增加到1.1。这一发现与几个实验室报告的结果一致。正如Grosch所提出的⁴ 橡胶的摩擦力主要由两种机制决定：（1）橡胶和其他材料之间的粘附力，以及（2）由于表面突起物引起的橡胶变形而产生的能量损失。沙拉马赫⁵ 观察到在软橡胶球体和硬表面之间的界面上，橡胶从反面材料上脱落的波浪。橡胶从基材表面剥离的力和剥离波的速度可以解释在试验过程中不同速度下的不同摩擦。

相比之下，橡胶/丙烯酸材料夫妇在不同的旋转速度下表现出高COF。当转速从0.01rpm增加到5rpm时，COF值从~1.02轻微增加到~1.09。如此高的COF可能是由于在测试过程中在接触面形成的更强的局部化学键。

总结

在这项研究中，我们表明，在极低的速度下，橡胶表现出一种特殊的摩擦行为--它对硬表面的摩擦力随着相对运动速度的增加而增加。橡胶在不同的材料上滑动时表现出不同的摩擦力。Nanovea摩擦仪可以以受控和监测的方式评估材料在不同速度下的摩擦性能，使用户能够提高对材料摩擦机制的基本认识，并为有针对性的摩擦学工程应用选择最佳的材料组合。

Nanovea摩擦仪使用符合ISO和ASTM标准的旋转和线性模式提供精确和可重复的磨损和摩擦测试，在一个预集成的系统中可以选择高温磨损、润滑和三相腐蚀模块。它能够在低至0.01rpm的极低速度下控制旋转阶段，并在现场监测摩擦的演变。Nanovea无与伦比的系列是确定薄或厚、软或硬的涂层、薄膜和基材的全部摩擦学特性的理想解决方案。

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碳化硅晶片涂层的机械性能

nanovea — Thu, 29 Mar 2018 13:50:56 +0000

了解碳化硅晶片涂层的机械性能是至关重要的。微电子器件的制造过程可能有300多个不同的加工步骤，可能需要6至8周的时间。在这个过程中，晶圆基材必须能够承受极端的制造条件，因为任何步骤的失败都会导致时间和金钱的损失。测试的内容硬度晶片的附着力/抗划伤性和COF/磨损率必须满足一定的要求，以便在制造和应用过程中的条件下生存，确保不会发生故障。

碳化硅晶片涂层的机械性能

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