聚碳酸酯（PC）因其性能，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)（如車(chē)燈、儀表盤(pán)）、電子（如手機(jī)和電腦外殼）以及光學(xué)領(lǐng)域（如眼鏡片、鏡頭）等。然而，PC材料的表面劃痕不僅影響產(chǎn)品的美觀性，還可能削弱其功能性。開(kāi)發(fā)高抗刮擦性的PC產(chǎn)品面臨諸多挑戰(zhàn)，其中關(guān)鍵之一是對(duì)聚合物復(fù)雜刮擦機(jī)理的理解不足。為了深入探究PC材料的力學(xué)性能如何影響其刮擦行為，美國(guó)德克薩農(nóng)工大學(xué)的Hung-Jue Sue教授團(tuán)隊(duì)對(duì)四種具有不同力學(xué)性能的PC材料進(jìn)行了系統(tǒng)性的刮擦實(shí)驗(yàn)，確定了影響劃痕可見(jiàn)性和裂紋形成的主導(dǎo)參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)中，四種PC系列材料均通過(guò)注塑工藝成型，其具體的力學(xué)性能如表1所示。此外，研究團(tuán)隊(duì)還測(cè)量了不同材料的表面粗糙度和摩擦系數(shù)（COF），結(jié)果如圖1所示。

表1 PC系列材料物理和力學(xué)性能

圖1 PC系列材料的（a）表面粗糙度，（b）摩擦系數(shù)

對(duì)于PC系列材料而言，刮擦造成的損傷主要分為可見(jiàn)劃痕的形成以及裂紋的萌生與擴(kuò)展兩個(gè)階段，不同階段的臨界載荷如圖2所示。在刮擦過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)刮擦摩擦系數(shù)（SCOF）、劃痕深度以及肩高（劃痕兩側(cè)相對(duì)于原始平面的隆起高度）進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量（如圖3和圖4所示）。

圖2 刮擦過(guò)程中出現(xiàn)（a）可見(jiàn)劃痕與（b）裂紋的臨界載荷

圖3 刮擦過(guò)程中的刮擦摩擦系數(shù)（SCOF）

圖4 刮擦過(guò)程中不同法向載荷所對(duì)應(yīng)的（a）劃痕深度與（b）肩高

研究發(fā)現(xiàn)，壓縮屈服應(yīng)力是影響劃痕幾何參數(shù)（如劃痕深度和肩高）的關(guān)鍵因素。具有高壓縮屈服應(yīng)力的材料（如PC-cp2）在刮擦過(guò)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(jiàn)性的能力。

此外，摩擦系數(shù)較低的材料（如PC-cp2）在刮擦過(guò)程中表現(xiàn)出較低的SCOF，這延緩了可見(jiàn)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(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致劃痕深度增加。

裂紋的形成與刮頭后方的高拉伸應(yīng)力密切相關(guān)。雖然拉伸強(qiáng)度較高的材料（如PC-cp1）在劃痕過(guò)程中可能表現(xiàn)出更高的裂紋抗性，但其劃痕可見(jiàn)性仍受到壓縮屈服應(yīng)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(yīng)力、COF以及表面粗糙度等參數(shù)對(duì)劃痕行為的影響機(jī)制。為設(shè)計(jì)高抗刮擦性的PC提供了重要的理論支持。后續(xù)通過(guò)有限元模擬等手段，可以單獨(dú)調(diào)控某些力學(xué)參數(shù)，驗(yàn)證文章中的推論。盡管研究已經(jīng)揭示了部分影響劃痕行為的關(guān)鍵因素，但劃痕過(guò)程本身仍然復(fù)雜，涉及多種因素的相互作用。例如，材料的分子結(jié)構(gòu)、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(duì)刮擦行為產(chǎn)生影響。因此，未來(lái)的研究需要進(jìn)一步探索這些因素之間的耦合關(guān)系，并開(kāi)發(fā)綜合性的解決方案，以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)異的抗刮擦性能和更廣泛的實(shí)際應(yīng)用。

相關(guān)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》