题目：聚合物与复合材料表面粗糙度测试方法的比较分析 - 综述
作者： Dimas Eko Prasetyo
机构： 布拉维贾亚大学机械工程系，玛琅
摘要
复合材料的发展可以与材料测试相结合，以获得复合材料的性能，如强度、硬度、磨损和表面粗糙度。聚合物材料和复合材料的表面粗糙度可以通过多种方式进行测试，范围从触觉法（轮廓测量）、变焦法（面积测量）、条纹投影（面积测量）、共聚焦激光扫描显微镜（面积测量）以及其他几种方法。本文将比较不同的粗糙度测试方法，以找出最合适的方法来获得混合复合材料和陶瓷复合材料试样的粗糙度。本研究使用的方法是文献综述。对于混合复合材料，由于表面硬度较低，使用触觉法不太合适。此外，混合复合材料比陶瓷复合材料具有更大的孔隙率值。这导致混合复合材料比陶瓷复合材料更粗糙。因此，对于孔隙率较大的材料，使用显微镜设备（如条纹投影（面积测量）和共聚焦激光扫描显微镜（面积测量））进行粗糙度测量将非常合适。
关键词： 混合复合材料，陶瓷复合材料，表面粗糙度
引言
当前材料技术的发展非常迅速。许多关于材料的研究，尤其是聚合物和复合材料，目前正在广泛开发中。鉴于复合材料在其应用中确实具有良好的潜力，涵盖航空、汽车、船舶、铁路和建筑施工等领域。评估材料性能的方法之一是进行材料测试。可以测试材料的强度、硬度、磨损和表面粗糙度。
表面粗糙度对材料来说是非常重要的一个方面。这是因为未来将用作部件的材料必须具有特定的粗糙度值，以便与其部件的功能相匹配。聚合物和复合材料的表面粗糙度可以通过多种方式测试，包括触觉法（轮廓测量）、变焦法（面积测量）、条纹投影（面积测量）、共聚焦激光扫描显微镜（面积测量）以及其他几种方法。
触觉法是最简单的表面粗糙度测量方法，并且在工业中经常使用 [1]。在这种方法中，一个特殊形状的针尖（触针）将在材料表面划过，并显示表面粗糙度值。该方法的表面粗糙度值可以使用公式（1）计算 [1]。触觉法（轮廓测量）系统的示意图可见图2。使用触觉法（轮廓测量）得到的表面粗糙度图像可见图3。使用触觉法（轮廓测量）得到的压痕结果图像可见图4。
R_a = \frac{1}{l} \int_{0}^{l} |z(x)| dx \quad (1)
R
a
l
1
∫
0
l
∣z(x)∣dx(1)
其中：
R_aR
a
= 算术平均粗糙度
ll = 长度
zz = 高度
xx = 测量位置
图 2. 触觉法轮廓测量系统示意图 [1]
图 3. 触觉法（轮廓测量）的SEM图像 [1]
图 4. 触觉法（轮廓测量）压痕结果的SEM图像 [1]
变焦法（面积测量） 是一种基于光学和面积的轴向扫描测量技术 [1]。基于其高垂直分辨率，它常用于确定形状和粗糙度参数。变焦法（面积测量）系统的示意图可见图5。
图 5. 变焦法示意图 [1]
条纹投影技术 是一种基于结构光的技术，属于面积测量程序范畴。这种测量方法基于等距、平行排列的光图案投影到表面上。条纹投影技术系统的示意图可见图6。
图 6. 使用条纹投影系统的三角测量法示意图 [1]
在共聚焦激光扫描显微镜中，激光束通过一个二向色镜导向物镜。然后，物镜将激光束聚焦到放置试样的焦平面。反射光由物镜收集，通过二向色镜传输，并由凸透镜聚焦。共聚焦激光扫描显微镜系统的示意图可见图6。
图 6. 共聚焦激光扫描显微镜示意图 [1] (注：原文此处图号重复，应为图7或调整)
研究方法
使用的研究方法是综述法，即基于现有期刊进行文献研究。本研究侧重于比较复合材料表面粗糙度的测量方法，并特别讨论混合复合材料。将要比较的方法可见表1。用于比较的表面粗糙度测量的材料特性可见表2 [2]。混合复合材料的SEM图像可见图7。研究流程图可见图7。(注：原文此处图7指代不明)
表1. 表面粗糙度测量方法
序号
方法
使用的设备
1
触觉法（轮廓测量）
触觉设备，以及SEM
2
变焦法（面积测量）
变焦设备（如Alicona），以及显微镜
3
条纹投影技术
条纹投影技术设备
4
共聚焦激光扫描显微镜法
激光扫描显微镜
表2. 混合复合材料和陶瓷复合材料的特性
材料复合类型
7wt.% SiC, 3wt.% 石墨 (混合)
10wt.% SiC (陶瓷)
维氏硬度 (HV)
219
235
理论密度 (gr/cm³)
2.791
2.837
实验密度 (gr/cm³)
2.784
2.832
孔隙率 (%)
0.24
0.18
图 7. 共聚焦激光扫描显微镜示意图 [1] (注：原文此部分结尾再次出现此图标题和期刊信息，疑似排版错误)
结果与讨论
复合材料是通过非均匀混合两种或多种组成材料而形成的一种材料，其组成材料的力学性能各不相同 [3]。通过这种混合，将产生具有不同于其组成材料的力学性能和特性的复合材料。
混合复合材料的维氏硬度值为 219 HV [2]，小于陶瓷复合材料的维氏硬度值 235 HV [2]。从以上比较来看，混合复合材料的表面硬度较低，在测量中使用触觉法不太合适。这是因为在触觉法中，测试试样会用特殊的针尖进行划擦，这极有可能对测试试样造成损坏。此外，混合复合材料的孔隙率值更大，为 0.24% [2]，而陶瓷复合材料的孔隙率值为 0.18% [2]。这导致混合复合材料比陶瓷复合材料更粗糙。因此，对于孔隙率较大的材料，使用显微镜进行粗糙度测量将非常合适。将要比较的方法可见表3。
表3. 表面粗糙度测量方法的比较
序号
方法
优点
缺点
1
触觉法（轮廓测量）
- 测试时间更高效
- 轻微损坏试样表面（由于划擦）
2
变焦法（面积测量） - 不影响试样（与试样无接触）
- 需要亚微米级的粗糙度
3
条纹投影技术 - 不影响试样（与试样无接触）
- 聚合物转换器上会发生误差
4
共聚焦激光扫描显微镜法 - 不影响试样（与试样无接触）
- 数据量大
- 昂贵
结论
混合复合材料的维氏硬度值为 219 HV，小于陶瓷复合材料的维氏硬度值 235 HV。
混合复合材料具有较低的表面硬度，在测量中使用触觉法不太合适。
混合复合材料的孔隙率值更大，为 0.24%，而陶瓷复合材料的孔隙率值为 0.18%。
混合复合材料非常适合使用显微镜进行粗糙度测量。
参考文献
[1] Launhardt, et al, 2016, 53, Detecting surface roughness on SLS parts with various measuring techniques, 德国.
[2] Kumar, 2015,Study on surface roughness measurement for turning of Al 7075/10/SiCp and Al 7075 hybrid composites by using response surface methodology (RSM) and artificial neural networking (ANN), 印度.
[3] Ashby Michael F., 2005, Materials selection in mechanical design, 第3版, Pergamon Press, 牛津.
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