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借助奥林巴斯共聚焦显微镜快速准确地检测表面划痕

2019年11月13日

注塑汽车部件的耐划伤性在保持汽车原有的漂亮外观方面起着非常重要的作用。添加剂可以提高注塑材料的耐划伤性能,而共聚焦显微镜可以快速对添加剂增强耐划伤性的效果进行非常精确的量化分析。

Croda International(克罗达国际公司)的研究科学家们使用奥林巴斯LEXT OLS5000共聚焦显微镜完成了一些标准化划痕检测,以证明其所生产的添加剂在提高耐划伤性方面具有积极的作用。结果表明,这种检测方法不仅可以消除操作人员在技能上的差异,而且还显著提高了检测的精确性和速度。

塑料由于具有用途广泛、寿命较长且成本较低的特性,而被用于生产多种汽车部件。聚合物材料在性能上的提高,加上汽车制造业追求更轻便材料的动力,促使汽车制造业中所使用的塑料呈现出更为多样化的发展趋势。汽车上的很多塑料部件都暴露在外,清楚可见,这就意味着这些部件的外观在保持汽车的美观和价值方面起着举足轻重的作用。

具有耐划伤性的材料可以减少汽车外观受到磨损的情况,从而有助于汽车在长期使用后仍然保持原有的价值。构成材料的精确成分可以决定材料的耐划伤性能,而对某种特定材料进行的详细检测可以表明其耐划伤性的水平。

在克罗达公司完成的划痕检测

作为耐划伤性添加剂的供应商,克罗达公司会定期进行划痕检测,以证明他们的添加剂产品对提高塑料性能所起到的积极作用。

Martin Read是克罗达公司聚合物添加剂应用团队的领导,也是抗划伤项目的首席科学家。在谈到可检测的材料范围时,Martin解释说:“我们可以检测汽车上的所有材料,从透明材料,如:手势控制装置中使用的材料以及用于隐藏传感器的表面材料,到具有高光泽度的所谓的“钢琴黑”表面。在对这些表面进行清洁和抛光时,非常容易留下细微的划痕。

为了证明添加剂可以提高耐划伤性能,研究人员制造了一些由不同成分构成的板子,并使用一种标准化工具,以规定的1–20N力量在板子上留下划痕。

Martin说:“在检测之前,要在聚合物板上制造划痕,划痕的两侧各有两行凸起,类似于犁过的田地。” 然后,要对划痕的深度、宽度和轮廓进行测量,通过对不同材料成分的聚合物板进行同类的测量,可以确定不同材料成分在耐划伤性方面的差异。

克罗达公司最初的设置是使用宽场材料显微镜测量划痕的宽度,再使用白光干涉仪显示划痕轮廓的方法确定划痕的深度。然而,这种方法极为耗时,特别是因为设置干涉仪和分析其结果的过程非常复杂。此外,在使用干涉测量法时,测量结果还会因操作人员较大的技能差异而有所不同,并会因表面轮廓上出现的伪影而有失准确。

为了获得更精确的数据,并加快工作流程,研究人员对奥林巴斯的LEXT OLS5000共聚焦显微镜进行了测试(图3),以确认是否可以通过使用一台仪器测量所有相关的参数。LEXT OLS5000显微镜既可以快速完成扫描,又可以为创建宽范围的3D样品图像提供可量化的详细数据。

 

通过使用LEXT OLS5000显微镜,克罗达公司的研究人员将测量结果的精度提高了一个以上的量级。在评估划痕的深度和轮廓方面,精度的改进表现得最为明显:测量精度接近于10纳米。

Martin评论道:“由于LEXT系统可以在3D图像中进行准确的测量,我们只需观察划痕的一个切片图像,即可对划痕的深度进行测量,这种方法简单多了”。

使用干涉测量法测量划痕的深度和轮廓所面临的关键性挑战,是聚丙烯等材料的轮廓会显示为尖状凸起的边缘。这些伪影是干涉仪未能探测到表面的结果,而且会影响测量的效果。Martin解释说:“由于聚丙烯材料具有多孔结构,因此干涉仪可能没有探测到表面,而是通过空隙看到了材料的内部。”

在使用LEXT显微镜测量相同的样品时,研究人员可以获得划伤表面的更平滑的图像。这种图形可以准确地呈现划痕的轮廓,从而有助于进行精确的测量。

在成像、测量和分析的速度方面,LEXT OLS5000显微镜的优势甚至表现得更加明显。克罗达公司的研究人员发现使用LEXT OLS5000显微镜对划痕的宽度和深度进行测量,可以使检测速度高出干涉测量法的10到100倍。“要测量划痕,我们必须尽量对干涉仪进行较为粗糙的设置,”Martin说,“而进行这种设置极为困难。进行一次测量,需要花费约1小时的时间。而使用共聚焦显微镜,我们可以在2分钟内测量和处理塑料表面上的10个划痕。”

耐划伤性添加剂可以提升汽车外观的审美性,并确保汽车在更长的时间内保持其自身的价值。在划痕检测中完成的精确测量,可以可靠地验证添加剂对加强注塑部件的耐划伤性所起到的积极作用。克罗达公司最初使用的测量划痕的方法基于光学显微镜和干涉测量法。这个方案不仅非常耗时,而且还会使表面轮廓出现伪影。

在购买了奥林巴斯的LEXT OLS5000共聚焦显微镜之后,克罗达公司的研究人员就可以完成比光学显微镜和干涉测量法更精确的测量,而且还可以避免因操作人员在技能水平上的差异而对测量结果产生的影响。他们还设法以快于原先方法10到100倍的速度完成测量,从而可以说明LEXT显微镜不仅可以改善数据质量,还可以提高检测效率。

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