Schéma des couches de revêtement dans une carrosserie composite automobile typique. Les dommages causés par les marques et les rayures résultant d'une variété d'impacts d'objets sont affichés. Crédit :Eastman Chemical Co./ K. Irvine, NIST
Vous savez ce sentiment écoeurant lorsque vous sortez de l'épicerie et que vous découvrez que votre voiture a été heurtée par un caddie qui s'emballe ? Ce ne sera peut-être un jour plus qu'un mauvais souvenir si les constructeurs de carrosseries utilisent une nouvelle série de tests développés par le National Institute of Standards and Technology (NIST) et trois partenaires de l'industrie. Les données de ces tests pourraient éventuellement aider l'extérieur de votre véhicule à mieux se défendre contre les coups, bosses, les égratignures et les choses qui cognent sur l'autoroute.
Dans un nouvel article de la revue Progrès dans les revêtements organiques , chercheurs de quatre organisations :le NIST et les partenaires industriels Eastman Chemical Co., le Centre technique Hyundai America et Anton Paar USA—décrivez trois versions d'un méthode de laboratoire fiable pour simuler les processus de grattage sur les vernis automobiles (le plus élevé, ou superficiel, couche d'un revêtement extérieur composite polymère). Les tests sont conçus pour donner aux fabricants une meilleure compréhension des mécanismes derrière ces processus afin que les futurs matériaux de revêtement puissent être rendus plus résistants aux rayures et plus résilients.
Plus forte, des revêtements plus robustes sont importants pour répondre aux demandes des consommateurs et de l'industrie. Par exemple, les statistiques montrent que :les gens gardent leur voiture plus longtemps et veulent qu'elle reste attrayante (ceux qui possèdent une voiture depuis plus de deux ans ont augmenté de 41 % de 2006 à 2015); près de 600, 000 conducteurs travaillent pour des services de covoiturage aux États-Unis qui les obligent à conserver l'apparence de leur véhicule ; l'amélioration de la durabilité de la peinture figure systématiquement parmi les trois principales exigences de performance pour les fabricants d'équipement d'origine ; et 60 pour cent de toutes les plaintes des consommateurs au sujet des automobiles sont attribuées aux rayures de peinture et aux imperfections des éclats.
Actuellement, les fabricants de revêtements automobiles utilisent deux méthodes de test simples pour évaluer la résistance aux rayures des vernis et prédire les performances sur le terrain :le crockmètre et le lave-auto Amtech-Kistler. Le premier est un appareil qui utilise un « doigt » robotique se déplaçant d'avant en arrière avec divers degrés de force pour imiter les dommages causés par le contact humain et les surfaces abrasives. Le second est une roue rotative de brosses qui simule l'impact des lave-autos sur les vernis.
"Malheureusement, les deux méthodes n'évaluent les performances du vernis que sur la base de l'apparence, une mesure qualitative où les résultats varient d'un test à l'autre, et ils ne fournissent pas les données quantitatives qui nous aident scientifiquement à comprendre ce qui arrive aux finitions automatiques dans la vraie vie, " a déclaré Li Piin Sung, physicien du NIST, l'un des auteurs du nouveau document. "Nous avons démontré une méthode de test qui caractérise les mécanismes de rayure au niveau moléculaire, car c'est là que la chimie et la physique se produisent … et où les revêtements peuvent être conçus pour être plus résistants."
Pour leur méthode de test, les chercheurs ont d'abord tapé un stylet à pointe de diamant sur la surface d'un échantillon composite polymère pour cartographier sa morphologie, puis utilisé le stylet pour créer une rayure et enfin, retapoté et remappé la surface. Trois échelles différentes de tests de rayure :nano, micro et macro—ont été menées en utilisant des pointes de tailles différentes et des plages de force différentes.
Microphotographie montrant le résultat d'un test de rayure à l'échelle nanométrique du NIST sur un échantillon de matériau transparent pour automobile. La rayure, qui montre des fractures rayonnant à partir de la ligne d'impact, fait 20 micromètres de large, 150 micromètres de long et 2 micromètres de profondeur (Un micromètre est un millionième de mètre ou environ la moitié de la longueur d'une moyenne E. coli bactérie.). Crédit :NIST
Les différences quantitatives entre les profils pré-rayure et post-rayure, ainsi que des analyses microscopiques des rayures, fourni des données précieuses sur la vulnérabilité à la déformation (jusqu'où va la rayure ?), la résistance à la rupture (quelle force faut-il pour fissurer le composite ?) et la résilience (combien le matériau récupère-t-il de l'agression physique ?).
Le NIST a effectué le test de nano-rayure avec un rayon de pointe de 1 micromètre (un micromètre est un millionième de mètre, ou environ un cinquième du diamètre d'un brin de soie d'araignée) et une plage de force comprise entre 0 et 30 micronewtons (un micronewton est un millionième de newton, ou environ 20 millionièmes de livre de force). Anton Parr a fait le test de micro-rayure avec une pointe de 50 micromètres et une plage de force entre 25 micronewtons et 5 newtons (équivalent à 5 millionièmes de livre à 1,25 livre de force), tandis qu'Eastman Chemical a effectué le test de macro-rayure avec une pointe de 200 micromètres et une plage de force comprise entre 0,5 et 30 newtons (équivalent à un dixième de livre à 7,5 livres de force).
Lorsque les rayures dans le vernis sont de quelques micromètres de profondeur et de largeur, et se produisent sans fracture, they are referred to as mars. These shallow, difficult-to-see deformations, Sung said, are most often the result of car washing. She explained that the nano-scratch test performed at NIST provided the best data on the mechanisms of marring and light scratches while the micro- and macro-scratch tests conducted by NIST's partners were better at yielding detailed information about the larger, deeper and more visible deformations known as fracture scratches—the injuries caused by keys, tree branches, shopping carts and other solid objects.
"Data from the nano-scratch test also proved best for determining how well the coating responded to physical insult based on its crosslink density, the measure of how tightly the polymer components are bound together, " Sung said. "With this molecular-level understanding, clearcoat formulas can be improved so that they yield materials dense enough to be scratch resistant and resilient but not so hard that they cannot be worked with easily."
The researchers concluded that to get the truest evaluation of clearcoat performance, the nano-, micro- and macro-scratch tests should be conducted in conjunction with the current industry standard methods.
"De cette façon, one gets the complete picture of an auto body coating, both qualitatively and quantitatively characterized, so that the tougher coatings created in the lab will work just as well on the road, " Sung said.
