聚碳酸酯（PC）因其性能，被廣泛應用于汽車（如車燈、儀表盤）、電子（如手機和電腦外殼）以及光學領域（如眼鏡片、鏡頭）等。然而，PC材料的表面劃痕不僅影響產品的美觀性，還可能削弱其功能性。開發(fā)高抗刮擦性的PC產品面臨諸多挑戰(zhàn)，其中關鍵之一是對聚合物復雜刮擦機理的理解不足。為了深入探究PC材料的力學性能如何影響其刮擦行為，美國德克薩農工大學的Hung-Jue Sue教授團隊對四種具有不同力學性能的PC材料進行了系統(tǒng)性的刮擦實驗，確定了影響劃痕可見性和裂紋形成的主導參數(shù)。

實驗中，四種PC系列材料均通過注塑工藝成型，其具體的力學性能如表1所示。此外，研究團隊還測量了不同材料的表面粗糙度和摩擦系數(shù)（COF），結果如圖1所示。

表1 PC系列材料物理和力學性能

圖1 PC系列材料的（a）表面粗糙度，（b）摩擦系數(shù)

對于PC系列材料而言，刮擦造成的損傷主要分為可見劃痕的形成以及裂紋的萌生與擴展兩個階段，不同階段的臨界載荷如圖2所示。在刮擦過程中，研究團隊還對刮擦摩擦系數(shù)（SCOF）、劃痕深度以及肩高（劃痕兩側相對于原始平面的隆起高度）進行了詳細測量（如圖3和圖4所示）。

圖2 刮擦過程中出現(xiàn)（a）可見劃痕與（b）裂紋的臨界載荷

圖3 刮擦過程中的刮擦摩擦系數(shù)（SCOF）

圖4 刮擦過程中不同法向載荷所對應的（a）劃痕深度與（b）肩高

研究發(fā)現(xiàn)，壓縮屈服應力是影響劃痕幾何參數(shù)（如劃痕深度和肩高）的關鍵因素。具有高壓縮屈服應力的材料（如PC-cp2）在刮擦過程中表現(xiàn)出較低的劃痕深度和肩高，具有較高的抵抗劃痕可見性的能力。

此外，摩擦系數(shù)較低的材料（如PC-cp2）在刮擦過程中表現(xiàn)出較低的SCOF，這延緩了可見劃痕的形成。相反，摩擦系數(shù)較高的材料（如PC）更容易在刮擦過程中產生應力集中，導致劃痕深度增加。

裂紋的形成與刮頭后方的高拉伸應力密切相關。雖然拉伸強度較高的材料（如PC-cp1）在劃痕過程中可能表現(xiàn)出更高的裂紋抗性，但其劃痕可見性仍受到壓縮屈服應力和摩擦系數(shù)的顯著影響。

文章揭示了拉伸和壓縮屈服應力、COF以及表面粗糙度等參數(shù)對劃痕行為的影響機制。為設計高抗刮擦性的PC提供了重要的理論支持。后續(xù)通過有限元模擬等手段，可以單獨調控某些力學參數(shù)，驗證文章中的推論。盡管研究已經揭示了部分影響劃痕行為的關鍵因素，但劃痕過程本身仍然復雜，涉及多種因素的相互作用。例如，材料的分子結構、加工工藝（如注塑和3D打印）、材料的各向異性以及環(huán)境因素（如溫度和濕度）都可能對刮擦行為產生影響。因此，未來的研究需要進一步探索這些因素之間的耦合關系，并開發(fā)綜合性的解決方案，以實現(xiàn)更優(yōu)異的抗刮擦性能和更廣泛的實際應用。

相關研究論文“Effect of tensile and compressive properties on the scratch behavior of injection-molded polycarbonate model systems"已發(fā)表在《Polymer》