拉伸和壓縮性能對注塑聚碳酸酯刮擦行為的影響

聚碳酸酯（PC）因其性能，被廣泛應用於(yu) 汽車（如車燈、儀(yi) 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材料的表麵劃痕不僅(jin) 影響產(chan) 品的美觀性，還可能削弱其功能性。開發高抗刮擦性的PC產(chan) 品麵臨(lin) 諸多挑戰，其中關(guan) 鍵之一是對聚合物複雜刮擦機理的理解不足。為(wei) 了深入探究PC材料的力學性能如何影響其刮擦行為(wei) ，美國德克薩農(nong) 工大學的Hung-Jue Sue教授團隊對四種具有不同力學性能的PC材料進行了係統性的刮擦實驗，確定了影響劃痕可見性和裂紋形成的主導參數。

實驗中，四種PC係列材料均通過注塑工藝成型，其具體(ti) 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麵粗糙度和摩擦係數（COF），結果如圖1所示。

表1 PC係列材料物理和力學性能

圖1 PC係列材料的（a）表麵粗糙度，（b）摩擦係數

對於(yu) PC係列材料而言，刮擦造成的損傷(shang) 主要分為(wei) 可見劃痕的形成以及裂紋的萌生與(yu) 擴展兩(liang) 個(ge) 階段，不同階段的臨(lin) 界載荷如圖2所示。在刮擦過程中，研究團隊還對刮擦摩擦係數（SCOF）、劃痕深度以及肩高（劃痕兩(liang) 側(ce) 相對於(yu) 原始平麵的隆起高度）進行了詳細測量（如圖3和圖4所示）。

圖2 刮擦過程中出現（a）可見劃痕與(yu) （b）裂紋的臨(lin) 界載荷

圖3 刮擦過程中的刮擦摩擦係數（SCOF）

圖4 刮擦過程中不同法向載荷所對應的（a）劃痕深度與(yu) （b）肩高

研究發現，壓縮屈服應力是影響劃痕幾何參數（如劃痕深度和肩高）的關(guan) 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，摩擦係數較低的材料（如PC-cp2）在刮擦過程中表現出較低的SCOF，這延緩了可見劃痕的形成。相反，摩擦係數較高的材料（如PC）更容易在刮擦過程中產(chan) 生應力集中，導致劃痕深度增加。

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

文章揭示了拉伸和壓縮屈服應力、COF以及表麵粗糙度等參數對劃痕行為(wei) 的影響機製。為(wei) 設計高抗刮擦性的PC提供了重要的理論支持。後續通過有限元模擬等手段，可以單獨調控某些力學參數，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(wei) 的關(guan) 鍵因素，但劃痕過程本身仍然複雜，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境因素（如溫度和濕度）都可能對刮擦行為(wei) 產(chan) 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(guan) 係，並開發綜合性的解決(jue) 方案，以實現更優(you) 異的抗刮擦性能和更廣泛的實際應用。

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