當你離開雜貨店并發(fā)現(xiàn)你的汽車被一個失控的購物車撞了以后，知道這種令人作嘔的感覺嗎?如果汽車車身制造商使用由美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)和三個行業(yè)合作伙伴開發(fā)的一套新測試，那么有一天它可能只是一個糟糕的記憶。來自這些測試的數(shù)據(jù)最終可以幫助您的車輛外部更好地抵御在高速公路上撞擊的叮咬，凹痕，劃痕和物體。

在“ 有機涂料進展 ”雜志的一篇新論文中，四個組織的研究人員 - 美國國家標準與技術(shù)研究院和行業(yè)合作伙伴伊士曼化學公司，現(xiàn)代美國技術(shù)中心和安東帕美國 - 描述了三種版本的快速，可靠的模擬實驗室方法汽車清漆(外部聚合物復(fù)合涂層的最上層或表面層)上的刮擦過程。這些測試旨在讓制造商更好地了解這些工藝背后的機制，以便將來的涂層材料更耐刮擦和更有彈性。

更堅固，更堅固的涂層對于滿足消費者和工業(yè)需求非常重要。例如，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：人們將汽車保持更長時間并希望它們保持吸引力(從2006年到2015年，擁有汽車兩年以上的汽車增長了41%); 近600,000名司機在美國為乘車共享服務(wù)工作，要求他們保持車輛外觀; 改善涂料耐久性始終是原始設(shè)備制造商的三大性能要求之一; 所有消費者對汽車的投訴中有60%歸因于油漆劃痕和切屑缺陷。

目前，汽車涂料制造商使用兩種簡單的測試方法來評估透明涂層的耐刮擦性并預(yù)測現(xiàn)場性能：crockmeter和Amtech-Kistler洗車。前者是一種使用機器人“手指”以不同程度的力來回移動來模仿人體接觸和研磨表面造成的損壞的裝置。后者是一個旋轉(zhuǎn)的刷子輪，模擬洗車對清漆的影響。

“不幸的是，這兩種方法僅根據(jù)外觀評估透明涂層性能，定性測量結(jié)果因測試而異，并且它們沒有提供科學上幫助我們了解現(xiàn)實生活中汽車涂飾結(jié)果的定量數(shù)據(jù)，” NIST物理學家李丕星，新論文的作者之一。“我們展示了一種在分子水平上表征劃痕機制的測試方法，因為這是化學和物理學發(fā)生的地方......以及涂層可以設(shè)計得更有彈性的地方。”

對于他們的測試方法，研究人員首先在聚合物復(fù)合材料樣品的表面上敲擊鉆石尖的觸針以繪制其形態(tài)，然后使用觸筆創(chuàng)建劃痕并最終重新制作并重新映射表面。使用不同尺寸的尖端和不同的力范圍進行三種不同尺度的劃痕測試 - 納米，微觀和宏觀。

刮擦前和刮擦后輪廓之間的定量差異，以及劃痕的微觀分析，提供了有關(guān)變形脆弱性的有價值數(shù)據(jù)(劃痕有多深?)，抗斷裂性(裂縫需要多大的力)復(fù)合材料?)和彈性(材料從物理損傷中恢復(fù)多少?)。

NIST進行了納米劃痕測試，尖端半徑為1微米(微米是百萬分之一米，或約為蜘蛛絲直徑的五分之一)，力范圍在0到30微牛頓(微牛頓)是一百萬分之一的牛頓，或大約百萬分之二十萬分之一的力量。安東帕爾用50微米尖端進行微劃痕測試，力范圍在25微牛頓和5牛頓之間(相當于百萬分之5磅到1.25磅力)，而伊士曼化學用宏觀劃痕進行了宏觀劃痕測試。尖端200微米，力范圍在0.5到30牛頓之間(相當于十分之一磅到7.5磅的力)。

當透明涂層中的劃痕深度和寬度為幾微米，并且在沒有破裂的情況下發(fā)生，它們被稱為火星。Sung說，這些淺而難以看見的變形通常是洗車的結(jié)果。她解釋說，在NIST進行的納米劃痕測試提供了有關(guān)損傷和輕微劃痕機制的最佳數(shù)據(jù)，而NIST合作伙伴進行的微觀和宏觀劃痕測試更好地提供了更大，更深，更明顯的詳細信息被稱為骨折劃痕的變形 - 由鑰匙，樹枝，購物車和其他固體物體引起的傷害。

“納米劃痕試驗的數(shù)據(jù)也證明了最好的方法是根據(jù)交聯(lián)密度測定涂層對物理損傷的反應(yīng)程度，這是聚合物組分結(jié)合在一起的程度，”Sung說。“通過這種分子水平的理解，可以改進透明涂料配方，使它們產(chǎn)生足夠致密的材料，使其具有耐刮擦性和彈性，但不會太硬，以至于不能輕易加工。”

研究人員得出結(jié)論，要獲得最清晰的透明涂層性能評估，納米，微觀和宏觀劃痕測試應(yīng)結(jié)合當前的行業(yè)標準方法進行。

“通過這種方式，人們可以全面了解汽車車身涂層的質(zhì)量和定量特征，從而使實驗室中產(chǎn)生的更堅韌的涂層在路面上也能正常工作，”Sung說。