美国国家标准技术研究所测试的新划痕数据可用于增强汽车涂层性能

新的测试数据最终可以帮助您的汽车外部更好地抵御凹痕、划伤以及在高速公路上所受到诸如此类的事情。

图片来源：美国国家标准技术研究所（NIST）

显微照片显示了NIST关于汽车清漆材料样品的纳米级划痕试验结果。可以看到：中心线所辐射的裂缝宽度约为20微米、长度约为150微米、深度约为2微米（微米是百万分之一米或大约大肠杆菌平均长度的一半）。

当你离开杂货店并发现你的汽车被一个失控的购物车撞了以后，能够体会到这种沮丧的心情吗？如果汽车车身制造商使用由NIST及其三个行业合作伙伴所研发的一套新测试，那么有朝一日这可能只是一个糟糕的记忆。这些测试数据最终能帮助您的汽车外部更好地抵御凹痕、划伤以及在高速公路上所受到诸如此类的事情。

发表于杂志“Progress in Organic Coatings”《有机涂层研究进展》的一篇论文中，四个组织的研究人员分别来自美国国家标准与技术研究院及其行业合作伙伴：伊士曼化学公司、现代美国技术中心和安东帕有限公司。他们描述了模拟划伤过程的3个版本，该方法可高效地描述汽车清漆（外部聚合物复合涂层的最上层或表面层）上的刮擦过程。 这些测试旨在让制造商更好地了解这些工艺背后的机制，以便使将来的涂层材料更耐刮擦且更富有弹性。

强度更高且更为坚固的涂层对于满足消费者和工业需求来说非常重要。例如，统计数据显示：人们正致力于让自己的汽车使用寿命更久并希望它们能够持续保持吸引力（从2006年到2015年，拥有汽车达两年以上的增长了41％）；近600,000名司机在美国为乘车共享服务工作，工作性质要求他们须保持车辆外观整洁；改善涂料耐久性始终是整车厂三大性能要求之一；所有消费者对汽车的投诉中有60%归因于油漆划痕和剥落缺陷。

目前，汽车涂料生产商使用两种简单的测试方法来评估透明涂层的耐刮擦性并预测现场表现：摩擦掉色测定器和Amtech-Kistler洗车。前者是一种使用机器人“手指”以不同程度的力来回移动来模仿人体接触和研磨对表面造成损坏的装置。后者是一个旋转的刷子轮，模拟洗车对清漆的影响。

“然而不幸的是，这两种方法仅根据外观评估透明涂层性能，其定性测量结果因测试而异，并且它们没有科学地帮助我们了解现实生活中汽车饰面发生情况的定量数据，”论文的作者之一、NIST物理学家Li Piin Sung说道，“我们展示了一种在分子水平上表征划痕机制的测试方法。在分子水平，我们更能从化学和物理学角度描述和理解该过程，而且涂层还可以设计得更富有弹性。”

对于他们的测试方法，研究人员首先在聚合物复合材料样品表面敲击钻石尖触针以绘制其形态，然后使用触笔创建划痕并最终重新覆盖并重新映射表面。 三种不同尺度的划痕测试：纳米级、微观和宏观，分别使用不同尺寸的触笔尖端，并施加不同大小的力。

刮擦前后轮廓之间的定量差异以及划痕的微观分析，提供了有关变形脆弱性的宝贵数据（划痕深度）、抗断裂性（复合材料断裂所需的力）和弹性（材料恢复原始形状的性能）。

NIST进行纳米划痕测试，尖端半径为1微米（微米是百万分之一米或约为蜘蛛丝直径的五分之一），力范围在0到30微牛顿（微牛顿是百万分之一牛顿，或约为百万分之二十磅的力）。安东帕有限公司利用50微米的尖端进行微划痕测试，所用力范围在25微牛顿和5牛顿之间（相当于百万分之五磅到1.25磅的力），而伊士曼化学公司则进行了宏观划痕测试。尖端半径为200微米，所用力范围在0.5到30牛顿之间（相当于0.1磅到7.5磅的力）。

当透明涂层中的划痕深度和宽度均为几微米且未发生破裂的状态被称为“火星”。Sung说，这些深度较浅且难以识别的变形通常是洗车的结果。她解释说，NIST进行的纳米划痕测试提供了关于损伤和轻微划痕机制的最佳数据；而NIST合作伙伴所进行的微观和宏观划痕测试则更好地提供了更大、更深、更明显的划痕信息。这些信息所描述的范围主要是被称为破裂划痕所产生的变形—由钥匙、树枝、购物车和其他固体物体对车辆所引造成的伤害。

“纳米划痕试验的数据也很好地证明了可以根据交联密度、聚合物成分结合在一起的程度来衡量涂层对物理损伤的响应程度，”Sung说道，“通过分子水平的理解，我们可以通过改进透明涂料的配方，使涂料足够致密。因此，涂料可以具有足够的耐刮擦性和弹性—不会太硬以至于不易于加工。”

研究人员总结到，为获得最清晰的透明涂层性能评估，纳米、微观和宏观划痕测试应结合当前的行业标准方法进行。

原文来自：sciencedaily，原文题目：To improve auto coatings, new tests do more than scratch the surface，由材料科技在线团队编译。