耐刮磨試驗：評估材料表面抵抗機械損傷的能力

引言：表面耐久性的關鍵指標

在日常使用中，產品的表面不可避免地會與各種硬物或尖銳物體發生接觸、摩擦甚至碰撞。這種接觸可能導致材料表面出現劃痕、刮傷或磨損，嚴重影響產品的外觀美感、功能完整性乃至使用壽命。耐刮磨試驗（Scratch and Mar Resistance Testing）正是為了科學評估材料表面抵抗此類機械損傷的能力而發展起來的一系列標準化測試方法。它在產品研發、質量控制、材料篩選等環節扮演著至關重要的角色，是衡量產品耐用性和品質感的重要技術指標。

一、耐刮磨試驗的核心原理與目的

耐刮磨試驗的本質是模擬材料在實際使用或加工過程中可能遭遇的刮擦、摩擦等機械作用，通過可控的試驗條件，定量或定性地評價材料表面的損傷程度。

• 核心原理： 試驗通常使用特定形狀、尺寸和硬度的劃針、磨輪或其他摩擦介質，在規定的載荷（壓力）、速度、行程和循環次數下，作用于被測材料的表面。通過觀察和測量試驗后材料表面產生的劃痕寬度、深度、可見度變化、光澤度變化、質量損失或特定功能性（如透光率）的變化，來評估其耐刮磨性能。
• 主要目的：
  • 材料篩選與對比： 比較不同材料、涂層、配方或表面處理工藝的耐刮磨性能優劣。
  • 質量控制： 確保生產批次材料或產品的耐刮磨性能符合預設標準。
  • 產品設計與改進： 為產品設計（如材料選擇、結構設計、表面處理）提供數據支持，優化產品的耐用性。
  • 預測使用壽命： 在特定應用場景下，評估材料表面抵抗磨損、保持美觀和功能的能力。
  • 符合性驗證： 驗證產品是否符合相關行業標準或法規對耐刮磨性能的要求。

二、常用的耐刮磨試驗方法

根據測試原理、應用場景和評價方式的不同，存在多種耐刮磨試驗方法，以下介紹幾種應用最為廣泛的：

1. 鉛筆硬度法 (Pencil Hardness Test)：

   • 原理： 使用一系列硬度從軟（如6B）到硬（如9H）的標準繪圖鉛筆，以固定角度（通常45°）和固定載荷（如750g或1000g），在材料表面推動鉛筆劃出一道約6-7mm的劃痕。
   • 評價： 觀察劃痕是否造成永久性的可見損傷（如穿透涂層、留下凹槽）。通常以不造成可見損傷的最硬鉛筆的硬度等級作為材料的耐刮磨性能指標（如2H、3H等）。此法簡便快捷，主要用于評估涂層、塑料、木器漆等的表面硬度及抗劃傷性，尤其適用于較硬的材料表面。

2. 泰伯爾磨耗試驗 (Taber Abrasion / Scratch Test)：

   • 原理： 使用泰伯爾磨耗試驗機，將待測樣品水平固定于旋轉平臺上。兩個特定的磨耗輪（如CS-10橡膠輪、H-18磨料輪等）在規定的載荷下壓在樣品表面。平臺旋轉時，磨輪在樣品表面形成環形磨耗軌跡。
   • 評價： 經過規定次數的旋轉后，通過多種方式評價損傷：
     • 失重法： 精確稱量樣品試驗前后的質量差。
     • 霧度變化： 測量透明材料磨耗區域的光霧度增加值。
     • 光澤度變化： 測量磨耗區域的光澤度損失百分比。
     • 視覺評級： 對照標準樣照或劃痕等級標準（如ASTM D1044中的劃痕等級），對磨耗區域的劃痕可見度進行評級（如1級最好，5級最差）。
   • 特點： 應用極其廣泛，可測試塑料、涂料、金屬、陶瓷、紡織品、地板材料等多種材料。測試條件（磨輪類型、載荷、轉速、循環次數）可根據標準或需求靈活選擇，模擬不同磨損程度。

3. 劃格法附著力與耐刮性測試 (Cross-Cut Adhesion and Scratch Test)：

   • 原理： 此方法最初主要用于評估涂層附著力（劃格法）。在評估耐刮性時，常使用劃格器在涂層表面劃出網格（如6x6或11x11條線），然后在網格區域使用硬幣（如一元硬幣）、鋼絲絨或特定的刮擦頭，施加規定載荷和次數進行往復刮擦。
   • 評價： 主要觀察網格區域涂層是否有起皮、剝落或嚴重劃傷。結合附著力等級（如ISO 0-5級，0級最好）和刮擦后的損傷情況來綜合判斷涂層系統的耐刮擦性能。常用于評估油漆、粉末涂料、電鍍層等。

4. 往復式劃痕測試 (Reciprocating Scratch Test)：

   • 原理： 使用劃痕試驗機，將金剛石或其他硬質材料的劃針（通常為球形或錐形）以恒定或漸增的載荷，在材料表面進行單次或多次的直線往復運動。
   • 評價： 通過高精度傳感器（如摩擦力傳感器、聲發射傳感器）實時監測劃擦過程中的摩擦力變化、劃痕深度等。試驗后通過顯微鏡測量劃痕寬度、深度，或觀察劃痕形貌（如塑性變形、開裂、剝落）。此法能精確研究材料的臨界破壞載荷、劃痕失效機理，適用于科研和高端材料評價。

5. 鋼絲絨/百潔布刮擦測試 (Steel Wool / Scotch-Brite Test)：

   • 原理： 使用特定型號的鋼絲絨（如0000號）或百潔布（如3M的特定型號），在規定的載荷和行程下，在材料表面進行規定次數的往復刮擦。
   • 評價： 主要通過視覺觀察刮擦區域的劃痕、發白、失光等損傷程度，有時也測量光澤度變化。此法操作相對簡單，常用于模擬日常生活中清潔工具或硬物（如鑰匙）造成的刮擦，評估家用電器、汽車內飾、家具等表面的耐刮性。

三、試驗執行的關鍵要素與標準化

為確保耐刮磨試驗結果的可比性、重現性和可靠性，必須嚴格控制以下關鍵要素并遵循相關標準：

• 樣品準備： 樣品的尺寸、厚度、表面狀態（清潔度、平整度）、固化/調節條件（溫度、濕度、時間）必須符合標準規定。
• 環境條件： 試驗通常在標準溫濕度環境（如23±2°C, 50±5% RH）下進行，溫濕度變化可能顯著影響結果。
• 測試參數：
  • 載荷： 施加在劃針或磨輪上的力（單位：N， gf 或 kg），是最關鍵的參數之一。
  • 速度/轉速： 劃擦或旋轉的速度（單位：mm/s, cm/s, rpm）。
  • 行程/循環次數： 單次劃擦的長度或磨耗試驗的旋轉圈數。
  • 摩擦介質： 劃針的材質、形狀、尺寸、尖端半徑；磨輪的類型、規格、狀態（新/舊）；鋼絲絨/百潔布的型號、新舊程度等。
  • 接觸方式： 劃擦角度、磨輪安裝角度等。
• 評價方法： 明確采用何種評價指標（失重、霧度、光澤度、視覺等級、劃痕尺寸）以及具體的評價標準和參照物。
• 遵循標準： 國際（ISO）、國家（如GB, ASTM, DIN, JIS）及行業標準對不同的測試方法、材料和應用領域都有詳細規定。常用的標準包括：
  • 鉛筆硬度： ASTM D3363, ISO 15184
  • 泰伯爾磨耗： ASTM D1044 (透明塑料劃痕), ASTM D4060 (耐磨耗), ISO 9352 (塑料磨耗), GB/T 9266, GB/T 1768 (漆膜耐磨性)
  • 劃格法/刮擦： ASTM D3359 (附著力), ASTM D5178 (抗損傷性)
  • 往復劃痕： ISO 19252 (塑料劃痕), ASTM D7027/ISO 19252 (漸增載荷劃痕)
  • 鋼絲絨： 常見于汽車內飾標準（如大眾PV3952）或企業標準。

四、結果解讀與應用價值

耐刮磨試驗的結果需要結合具體的測試方法、參數設置和評價標準進行解讀：

• 定量結果： 如失重量（mg/1000 cycles）、霧度增加值（%）、光澤度損失（%）、臨界劃痕載荷（N）等，數值越小通常表示耐刮磨性能越好（失重、霧度增加、光澤損失）或臨界載荷越高越好。
• 定性/半定量結果： 如鉛筆硬度等級（如3H）、視覺劃痕等級（如ASTM D1044中的等級1或ISO 20565中的G0），等級越高表示性能越好。
• 比較分析： 只有在相同測試方法和嚴格一致的條件下得到的結果才具有直接可比性。

耐刮磨試驗的應用價值貫穿于產品生命周期：

• 研發階段： 篩選基材樹脂、添加劑（如耐磨劑、滑爽劑）、填料、涂層體系，優化配方和工藝。
• 原料與供應商管理： 評估不同供應商材料的性能一致性。
• 生產過程控制： 監控生產工藝（如注塑參數、涂裝工藝、固化條件）的穩定性對產品表面性能的影響。
• 成品檢驗： 確保出廠產品符合質量標準和客戶要求。
• 失效分析： 當產品表面在運輸或使用中出現非預期劃傷時，可通過試驗分析原因。
• 市場競爭力： 優異的耐刮磨性能是產品高品質、高耐久性的重要體現，提升用戶體驗和品牌形象。

：不可或缺的表面防護評價手段

耐刮磨試驗作為評估材料表面抵抗機械損傷能力的關鍵技術手段，其科學性和規范性對于保障產品質量至關重要。通過選擇合適的測試方法、嚴格控制試驗條件并依據標準進行客觀評價，能夠為材料的選用、產品的設計、工藝的優化以及最終的質量判定提供可靠的數據支持。無論是日常消費品、工業零部件還是高科技電子產品，卓越的耐刮磨性能都是其長期保持良好外觀和功能的基礎，而嚴謹的耐刮磨試驗則是實現這一目標不可或缺的保障。隨著新材料和新工藝的不斷涌現，耐刮磨試驗方法也在持續發展和完善，以滿足日益提高的產品性能要求。