钢笔材质2:生漆(大漆)与DLC(类钻碳)涂层的性能对比

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钢笔材质2:生漆(大漆)与DLC(类钻碳)涂层的性能对比

2023-03-16 04:08| 来源: 网络整理| 查看: 265

大漆作为日系高端钢笔常见的材料,被用做硬橡胶/树脂等材质的涂层,可以大大增强树脂/硬橡胶笔杆的耐磨和耐腐蚀能力,下图中百乐845钢笔的笔杆就使用了大漆。

上为tti108(PVD法制造的抛光DLC)下为百乐845(大漆)

而部分欧系笔(如凌美帝国和辉柏嘉伯爵马卡萨)和EDC品牌战术笔则倾向于使用DLC(类钻碳)涂层来提高金属材质的表面硬度,作为上世纪70年代才出现的新技术,DLC涂层的硬度、耐候性、耐腐蚀能力较为突出,常被用作硬质合金刀具的表面强化,也被用来提高钛结构件的硬度和耐磨耐腐蚀能力。

辉柏嘉伯爵马卡萨,抛光DLC

作为现今较为先进的涂层材料,DLC和生漆的性能比起来究竟如何?本文就来个抛砖引玉吧。

首先说一下大漆

生漆的聚合,可以看出是漆酚互相交联成的空间网状结构

大漆是由漆酶催化漆酚聚合而成网状结构的高分子材料,其和热固性树脂类似,因为是交联的网状结构,不会像热塑性树脂那样升温到粘弹转变温度以上就会软化变成流体,其耐腐蚀能力、耐热能力和硬度在树脂里面较为突出。

生漆的机械性能

生漆的机械性能

从上两图可以看出,大漆的玻璃值硬度大概是0.78-0.89(注意是玻璃值硬度而不是和玻璃硬度的比值),加入填料会在一定程度上改变生漆的硬度,比如加入石墨的黑漆比普通生漆硬度低,加入瓷粉和红丹(朱红色硫化汞)的生漆硬度会有一定的提高。

漆膜摆式硬度计简介:该仪器测定油漆涂料皮膜的硬度。试验技术特征:硬度以摆条在漆膜上规定振幅中摆动所需时间与其在玻璃板上同样振幅所需时间之比表示。

漆膜的玻璃值硬度是用摆式硬度计测悬挂在漆膜上的摆条振幅与悬挂在玻璃版上同样振幅需要的时间之比,而不是说生漆的维氏硬度(压痕硬度)有玻璃的0.78-0.89,实际上各类论文或文章一般使用铅笔法测量漆膜的硬度。

如上图所示,F0到F4样本的生漆精制程度逐渐增加,精制生漆(经过搅拌产生氧化)和未精制的比水分更少,附着力更强且硬度更高。

如上图所示,精制生漆(RL)相比改性生漆无论是硬度还是光泽度都更高,但附着力可能没有部分改性生漆好。

精制生漆的铅笔硬度在6H左右,和各类化学漆比硬度非常突出,但硬度和常见的不锈钢、黄铜等合金没法比。毕竟铅笔法硬度测试通常是用来测摩氏硬度<2.5的物品,差不多是维氏硬度100HV以下。

如上图的例子,在常用合金中硬度偏低的925银(维氏硬度在60-80HV左右),已经可以划伤生漆。925银的硬度再低也是金属键,其力学性能不是作为高分子材料的大漆能比的。

大漆是在好看的基础上大幅提升硬橡胶和树脂的硬度,明显减轻了毛痕。面对硬度1200HV的水晶大漆无法避免出现毛痕,就是相同情况下毛痕会轻很多。

生漆的结构中除了苯环外基本上没有双键,而碳氧键、碳氢键、碳碳键的键能都比较高,配合其交联成的空间网状结构,其耐腐蚀能力也非常优秀。

如上图所示,生漆可以在室温下抵抗中低浓度的五大强酸,对低浓度的氢氧化钠也有抵抗能力,但不耐明矾。常温下生漆面对溶剂也有很强的抵抗能力,但是面对高于40℃的酒精会被软化溶解。

生漆的耐候性较差,尤其是不抗光老化,部分原因是因为苯环侧链上的氢在光照情况下容易被取代,强光照射一定时间后生漆会变碎破裂。

从上图可以看出丙烯酸树脂的耐光老化性能明显超过生漆,纯生漆紫外灯照射下不到10天表面就会出现表面失光的情况。

如上图所示,紫外灯老化照射720小时后,生漆发生老化,表面变脆碎裂。加入丙烯酸树脂的生漆老化程度较低。

总的来说,生漆可以大幅提高树脂和硬橡胶笔杆的硬度,一定程度上增加笔杆的耐腐蚀能力,但生漆的耐光老化能力不佳,远没有丙烯酸类树脂好。

接着说一下DLC涂层

DLC(类金刚石膜)是含有金刚石结构(sp3键)的非晶态碳膜,有很多类似金刚石膜的性能。类金刚石碳(DLC)同时具有金刚石的正四面体结构和石墨的平面网状结构,是由碳原子配位sp1,sp2和sp3杂化键组合形成的亚稳态非晶材料。

DLC涂层中sp3/sp2的比值决定了DLC涂层的性能,sp3杂化(就是金刚石的杂化方式)越多,其硬度越高,sp2杂化越多性质越接近石墨。一般DLC涂层中sp3杂化比例>20%,某些类金刚石涂层中的sp3杂化比例甚至大于30%,这使其具有极高的硬度。

PVD法制备的DLC涂层的性能

上图是离子束沉积和溅射沉积法(都属于物理气相沉积)制造的DLC膜的性能。可以看出溅射沉积的DLC涂层维氏硬度可达2400HV,离子束沉积的DLC涂层的硬度也有1850HK(换算公式HV=0.968HK)。

上图是另一张DLC涂层的实测硬度,DLC涂层沉积在TC4钛合金表面,TiC是钛基材和DLC层之间的过度层,可以提高DLC层和钛基材的结合强度。可以看出其维氏硬度在22.5Gpa-30Gpa之间,大约2000-3000HV。

总的来说,DLC层的硬度明显超越水晶,和蓝宝石差不多(2000HV左右)。日常使用除了DLC层互相摩擦外,基本上不会出现划痕。

DLC的耐腐蚀能力介于石墨和金刚石之间,耐腐蚀性能极其优异,作为涂层能极大的提升金属基底(哪怕是钛基体也一样)的耐腐蚀能力,能在强酸、强碱等恶劣环境下抵抗侵蚀。DLC涂层具有生物惰性,不会和人体反应,可以用作人造关节的耐磨涂层。

上图是酚醛树脂浸渍石墨的耐腐蚀能力图,可以在一定程度上代表DLC涂层的耐腐蚀能力,不过DLC涂层的综合耐腐蚀能力要高过浸渍石墨,上图可以当DLC耐腐蚀能力的下限。浸渍石墨常温下可以耐受低浓度下的五大强酸腐蚀,抵抗低浓度的氢氧化钾。浸渍石墨也可以耐受沸点下各类有机溶剂的溶解。

至于耐候性,金属和DLC涂层都没有塑料那样因外界环境中的光或者热而发生老化分解的问题,老化算是高分子材料特有的属性。金属可能会因长时间大载荷力而发生疲劳断裂,也可能受到各类酸碱盐溶液的腐蚀,但唯独不会像高分子材料那样因为光和热而老化分解。

可以说DLC涂层无论是硬度、综合耐腐蚀能力还是防老化的能力,都不是生漆可以比的。DLC涂层在这些性能上碾压大漆算是理所应当,晚了几千年的涂层综合性能打不过生漆实在说不过去。

不过大漆的硬度和耐腐蚀能力等性能虽然没那么好,但是却在艺术性上有所发展,各类莳绘沉金作品在DLC涂层上完全不可能实现。

如上图所示,沉金是使用雕刻刀在大漆上雕刻出花纹再填入金银粉。DLC极高的硬度和较薄的厚度让这种工艺难以实现。

生漆加入各类矿石粉可以做出多种颜色当做颜料使用,同时生漆易涂且固结的条件非常简单,这些性质让生漆很容易做成各类艺术品。

而DLC涂层需要专用的设备,且涂覆需要真空环境,颜色也明显单一,不可能像生漆一样在艺术性上得到发展。

各类漆笔,堪称艺术品

总的来说,DLC涂层和生漆完全不在一个赛道,拿DLC的力学性能比生漆就像拿漆画的艺术性比DLC涂层的艺术性,二者都在各自的领域做到了极致。如果是追求手工和艺术性带来的美感,那漆笔是不二的选择;如果追求绝对的硬度和耐磨能力,那选择DLC涂层绝对没错。



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