耐表面擦傷性測試：評估材料表面抵抗損傷的關鍵技術

一、為何關注表面擦傷？

材料表面的完整性對產品的美觀、功能和使用壽命至關重要。在日常使用、運輸或清潔過程中，表面不可避免地會與各種物體發生接觸和摩擦，導致擦傷、劃痕或磨損。這些損傷不僅影響產品外觀，降低消費者滿意度，還可能破壞保護性涂層，加速材料老化，甚至影響部件的功能性（如光學鏡片的透光率、觸摸屏的靈敏度）。

因此，耐表面擦傷性（也稱為抗劃傷性、耐刮擦性）是評價材料（尤其是涂層、塑料、金屬、陶瓷、玻璃等）性能的關鍵指標之一。通過科學、標準的測試方法評估材料的耐擦傷能力，對于產品研發、質量控制、材料篩選和性能預測具有不可替代的意義。

二、核心測試方法解析

評估材料耐表面擦傷性能的方法多種多樣，依據不同的測試原理、模擬場景和損傷評估方式，主要可分為以下幾類：

1. 線性劃痕測試法：

   • 原理： 使用特定形狀和硬度的劃針（如球形、錐形金剛石或硬質合金頭），在可控的垂直載荷下，以恒定速度在樣品表面劃過。通過改變載荷（恒定或線性/步進增加），測量劃痕產生的臨界載荷或觀察特定載荷下的損傷形貌。
   • 關鍵參數： 劃針形狀/材質、載荷（范圍、變化方式）、劃痕速度、劃痕長度。
   • 評估： 目視觀察劃痕形態（塑性變形、開裂、剝落）；光學顯微鏡或共聚焦顯微鏡測量劃痕寬度、深度；臨界載荷（Lc）的確定（如通過聲發射、摩擦力突變、光學變化）。
   • 特點： 可直接量化材料抵抗塑性變形和開裂的能力，常用于硬質涂層、薄膜材料的附著力與結合強度評估。

2. 往復摩擦/擦傷測試法：

   • 原理： 使用特定磨耗頭（如橡膠輪、鋼絲絨、砂紙、布料包裹的摩擦頭等）在樣品表面進行往復或旋轉摩擦運動，模擬實際使用中的反復擦拭、清潔或刮擦行為。
   • 代表方法： Taber磨耗/擦傷測試：使用特定的摩擦輪（如CS-10， CS-17橡膠輪，H-18鋼絲絨），在特定載荷下對旋轉的樣品進行摩擦。往復式擦傷測試：摩擦頭在樣品表面沿直線或弧形路徑往復運動。
   • 關鍵參數： 摩擦頭類型/材質、載荷、摩擦行程/速度、循環次數。
   • 評估： 測試前后對比：光澤度變化（%）、霧度變化、色差（ΔE）、目視等級評估（如ASTM D2486）、顯微鏡觀察損傷程度。通常測試后清潔樣品再進行評估。
   • 特點： 更接近模擬實際使用中的反復輕度刮擦，廣泛用于汽車內飾、家電外殼、家具表面、塑料件、油漆涂層等。

3. 鉛筆硬度測試法：

   • 原理： 使用一套硬度已知的繪圖鉛筆（從軟到硬：6B到9H），以固定角度（通常45°）和固定載荷（通常750g或1000g），在樣品表面推動鉛筆劃過。
   • 評估： 找出不會在樣品表面造成永久性劃痕（或產生特定深度劃痕）的最硬鉛筆的硬度等級。例如，報告為“鉛筆硬度 ≥ 2H”表示2H鉛筆未造成永久劃痕。
   • 特點： 快速、簡便、成本低，常用于油漆、清漆、印刷油墨等涂層的初步硬度評估。但結果較為主觀，精度有限，適用于相對比較而非絕對量化。

4. 十字切割/網格法：

   • 原理： 雖然主要用于評估涂層附著力，但有時也用于評估耐擦傷性（特別是脆性涂層）。用鋒利刀片在涂層上切割出網格圖案，然后用特定膠帶粘撕。
   • 評估： 觀察網格交叉點處涂層是否剝落或分層（根據ISO 2409或ASTM D3359標準評級）。如果涂層在切割后或粘撕后嚴重剝落，通常也表明其耐擦傷性較差。
   • 特點： 間接反映涂層抵抗因劃傷導致的剝落能力，操作相對簡單。

三、如何解讀測試結果？量化與標準化

耐擦傷性測試結果的解讀必須結合具體的測試方法、參數設置和評估標準：

• 量化指標：

  • 臨界載荷： 劃痕測試中材料開始出現特定失效模式（如開裂、剝落）時的載荷值（牛頓N或毫牛頓mN），數值越高越好。
  • 光澤保持率/變化值： 摩擦測試后樣品表面光澤度與原始光澤度的百分比，或直接報告光澤度變化值（GU），變化值越小越好。
  • 霧度變化： 透明材料摩擦后霧度增加的值（%），增加越小越好。
  • 色差： 摩擦前后顏色的變化值（ΔE），數值越小表示顏色變化越不明顯。
  • 鉛筆硬度等級： 報告通過的最高硬度等級。
  • 目視等級： 根據標準樣照或描述性標準（如1級最好，5級最差）進行主觀評級。
  • 劃痕寬度/深度： 顯微鏡測量值，越小越好。

• 標準化的重要性：

  • 為了確保測試結果的可比性和重現性，必須嚴格遵循相關的國際、國家或行業標準。常見的標準包括：
    • ISO： ISO 1518 (劃痕測試), ISO 4586-2 (高壓裝飾板 Taber測試), ISO 9211-4 (光學涂層 劃痕), ISO 15184 (鉛筆硬度), ISO 20566 (汽車清漆 落砂/擦傷測試)等。
    • ASTM： ASTM D3363 (鉛筆硬度), ASTM D5178 (塑料件耐擦傷性 - 刮指法), ASTM D2486 (刮指法評估擦傷), ASTM D4060 (Taber磨耗), ASTM C1624 (陶瓷劃痕硬度), ASTM D7187 (硬涂層劃痕)等。
    • 其他： DIN, JIS, GB/T 等國家或地區標準。
  • 標準詳細規定了測試設備要求、樣品制備、測試環境（溫濕度）、測試程序（載荷、速度、次數等）以及結果評估方法。不同標準下的結果通常不能直接比較。

四、應用場景與價值

耐表面擦傷性測試在眾多工業領域發揮著關鍵作用：

• 產品開發與材料篩選： 幫助研發工程師比較不同材料、配方、涂層體系或表面處理工藝的抗擦傷性能，優化產品設計。
• 質量控制與入廠檢驗： 作為生產線上的關鍵控制點，確保生產批次產品表面性能的一致性符合規格要求。
• 供應商評估： 客觀評價供應商提供的原材料或部件是否滿足耐擦傷性要求。
• 故障分析與改進： 當產品在使用中出現異常劃傷或磨損時，通過測試分析原因，指導工藝改進。
• 預測使用壽命： 結合加速老化測試，評估產品表面在預期使用條件下的耐久性。
• 滿足法規與客戶要求： 許多行業（如汽車、家電、消費電子）對表面耐擦傷性有明確的測試標準和接受限值，是產品上市的必要條件。

五、：精準評估，提升產品競爭力

耐表面擦傷性測試是連接材料科學、產品設計和用戶體驗的重要橋梁。通過選擇合適的測試方法并嚴格遵循相關標準，可以獲得客觀、可量化的數據，用以評估材料抵抗表面損傷的能力。這種評估不僅關乎產品的“顏值”，更深刻影響其功能性、耐久性和市場競爭力。隨著新材料和新工藝的不斷涌現，以及消費者對產品品質要求的持續提高，精確、可靠的耐擦傷性測試將在產品全生命周期管理中扮演愈發關鍵的角色。持續關注測試技術的發展與標準化進程，是確保評估結果科學有效的基礎。