作者｜前进口品牌仪器厂商销售工程师，从事仪器测试服务

摘要：在摩擦磨损试验中存在一类超浅摩擦划痕，划痕深度仅数十纳米，常规光学显微观测与激光共聚焦三维形貌测试难以识别。本文以实际工程测试案例为基础，分析基恩士 激光共聚焦显微镜在该类超浅划痕表征时的局限性，结合二次电子扫描电镜（SEM-SE）验证划痕真实存在，证实该类浅痕测试存在视场、轴向分辨率、表面本底粗糙度耦合带来的表征难题。案例证明，常规商用激光共聚焦设备难以捕获该类60 nm量级浅划痕三维轮廓，该类特殊形貌的有效表征需要定制化测试思路，可为同类摩擦痕迹测试选型提供参考。

关键词：摩擦划痕；PCD聚晶金刚石；超浅形貌；激光共聚焦；三维表征；表面粗糙度

1  引言

摩擦副表面的磨损痕迹是评价摩擦磨损机理、磨损量的重要依据。多数常规摩擦痕迹宽度大、形貌起伏明显，采用同轴落射光学显微镜、激光共聚焦显微镜即可完成观测与三维形貌采集。但工程中存在一类特殊的超浅摩擦痕迹：痕迹宽度可达毫米级，痕迹起伏极微弱，在PCD（聚晶金刚石，polycrystalline diamond）基体表面上，倾斜样品配合反射光照下仅能隐约辨识痕迹；切换至同轴落射照明模式后，痕迹几乎不可分辨，给形貌定量表征带来很大挑战。

本案例来自摩擦磨损测试工程需求，试样表面存在毫米级浅摩擦划痕，客户采用基恩士 激光共聚焦显微镜开展测试，反复调试物镜参数仍无法获得有效三维轮廓数据，后续借助扫描电镜二次电子模式确认划痕真实存在。本文针对该案例开展失效原因分析，讨论该类超浅划痕的表征难点。

2  测试设备与试样现象

测试设备：基恩士激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜（SEM）。

试样特征：PCD聚晶金刚石（polycrystalline diamond，PCD）试样，表面存在宽度约1 mm的摩擦划痕，划痕实测深度约60 nm，基体自身表面粗糙度达到数十纳米级别。

肉眼及倾斜反射光观测：划痕区域可见微弱带状痕迹。

同轴落射光观测：痕迹对比度消失，无法直接识别。

激光共聚焦显微镜测试尝试：

1. 10倍物镜三维扫描：Z轴分辨率不足，无法分辨纳米级高度起伏；

2. 2. 50倍高倍物镜扫描：横向视野急剧缩小，远小于划痕1 mm的特征宽度，仅能采集极小区域，无法捕捉完整划痕形貌，采集得到的三维数据中无明显划痕起伏特征。

3. 客户经多轮参数调试、测点更换后，始终无法得到可靠的划痕三维轮廓数据。

4. 3  划痕真实性验证

5. 为排除“无真实划痕、光学伪影”的猜想，采用扫描电镜二次电子（SE）模式对目标区域观测。SEM图像中可观察到划痕区域灰度差异，证实该摩擦划痕客观存在，不是光照带来的视觉假象，属于典型的深度极低、宏观宽幅的超浅摩擦磨损痕迹。

其他测试方案如下：

4  表征难点分析

结合案例参数，分析激光共聚焦无法有效表征的核心原因：

1. 划痕深度仅60 nm，与基体本底粗糙度幅值处于同一数量级，信号极易被基体表面噪声掩盖；

2. 2. 激光共聚焦Z轴实际分辨能力难以稳定区分该量级微弱高度差；

3. 3. 高倍率物镜横向视野极小，无法覆盖毫米级划痕，缺少宏观区域的形貌采集能力；低倍率物镜牺牲轴向分辨率，无法分辨纳米级起伏；

4. 4. 浅痕本身对比度极低，同轴落射照明下光学衬度不足，进一步提升识别难度。

5. 以上因素共同造成：设备硬件参数达标，但针对该类超浅宽划痕，无法输出可用的三维形貌、深度数据。

6. 5  结果与讨论

7. 该案例反映出一个容易被忽略的测试选型误区：仪器标称分辨率，不等于在所有试样、所有工况下都能实现目标形貌识别。当磨损痕迹深度和基底粗糙度接近时，分辨率、视场、表面衬度三者会互相制约，常规激光共聚焦方案会进入表征盲区。

8. 针对该类60 nm级、毫米宽度的超浅摩擦划痕，存在可行的测试手段，可以清晰采集划痕完整三维轮廓、提取深度信息，成功解决该表征难题。该测试需要配套专属测试方案。

9. 6  结论

10. 毫米宽度、深度60 nm左右的超浅摩擦划痕，是摩擦磨损测试中一类棘手的表征对象。基恩士激光共聚焦显微镜受限于Z轴分辨能力、高倍物镜视野约束，难以实现该类浅痕的三维定量表征；SEM二次电子可以定性证明划痕存在，但无法给出三维高度与深度定量数据。

11. 该类超浅宽摩擦划痕的三维定量测试，需要专门的测试方案支撑。若存在同类超浅磨损痕迹、微弱表面形貌的表征需求，可联系咨询专项测试服务。

12. 

13. 参考文献

14. [1] ISO 25178-2:2021  Geometrical product specifications (GPS) — Surface texture: Areal — Part 2: Terms, definitions and surface texture parameters[S]. Geneva: International Organization for Standardization, 2021.

15. [2] KEYENCE CORPORATION. VK-X3000 series laser confocal microscope specifications[EB/OL]. https://www.keyence.com.cn/products/microscope/laser-microscope/vk-x3000/ (accessed date to be completed).

16. [3] 【待补充】摩擦磨损表面形貌表征、激光共聚焦显微镜相关的真实期刊文献与标准条目，按 GB/T 7714 著录。