Page 57 - 《摩擦学学报》2020年第3期
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第 3 期                  乔乾, 等: 核废料硼硅酸盐玻璃在酸性溶液环境下的摩擦磨损性能                                       323

       硼硅酸盐玻璃凭借耐高热且机械化学性能优异                           了近两个量级，分析表明，酸性溶液中氢离子诱导双
   的特点被广泛应用于核废料固化处理技术                  [1-2] . 通常情    电层产生的斥力、电黏性和水化层是PEEK/Si N 材料
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   况下，高放射性核素首先熔融于硼硅酸盐玻璃中以固                            摩擦磨损性能降低的主要原因.
   定核素，然后将填充材料混合处理放置于承装玻璃固                                对于玻璃材料而言，在纯水或酸性环境中的水分
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   化体的不锈钢罐中，最后埋深于近1 km的深层地质层                          子(H O)或水合氢离子(H O )易与玻璃表面发生水合
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                                   [3]
   中，以限制并防止放射性核素的释放 . 然而，用于核                          和离子交换反应. 例如，Sheth等 发现当钠钙硅玻璃
                                                                                 [16]
   废料处理的硼硅酸盐玻璃在前期搬运、安装和地质存                            经90 ℃的HCl溶液(pH=1)处理24 h时，玻璃的Si-O-
   储的过程中，不可避免地面临着接触、摩擦和材料破                            Si网络结构的IR吸收峰从1 060 cm 增大到1 065 cm ，
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                                                                                   −1
   坏过程，进而威胁到核废料玻璃中放射性核素的稳定                            这表明Na 在酸性液体环境中易于从玻璃表层中析
                                                              +
     [4]
   性 . 因此，研究硼硅酸盐玻璃在不同条件下的材料破                          出，使得玻璃表层变成“富SiO ”结构. 但是，由于用于
                                                                               2
   坏和去除行为对其服役过程和玻璃固化技术等均具                             核废料固化处理的硼硅酸盐玻璃成分的不同，造成
                   [5]
   有重要的指导作用 .                                         其在纯水或者酸性环境下的离子交换反应和摩擦化
       通常情况下，水分子被认为是导致玻璃内部主体                          学反应也有所不同. 然而，针对于硼硅酸盐玻璃在不
   结构破坏的最主要因素，因为水分子易与玻璃中Si-O-Si                       同酸性环境下的摩擦磨损性能以及演化规律还未见
                                           [7]
                               [6]
   网络结构发生水合和水解等反应 . 例如，Gin等 发现
                                                      报道.
   核废料国际简易玻璃(ISG)中含有Si-O-Si和B-O-Si主
                                                          为了系统地研究硼硅酸盐玻璃在不同酸性溶液
   体结构，当面临水分子等化学腐蚀作用时，硼硅酸盐
                                                      环境下的磨损行为和摩擦磨损机理，选用不锈钢球作
   玻璃表面会同时析出Na 以及与其析出动力学相当的
                        +
                                                      为摩擦副，研究硼硅酸盐玻璃在不同pH溶液环境下的
   B元素，因此，硼硅酸盐玻璃表面很容易出现水分子诱
                                                      摩擦磨损性能. 通过对比分析不同pH溶液环境下硼硅
                                         [8]
   导玻璃主体结构的水解反应. 此外，Aréna等 发现核
                                                      酸盐玻璃和不锈钢球的二维特征磨损形貌与磨损体
   废料玻璃中的Zn和Zr等元素与Si-O-Al网络结构相连
                                                      积，揭示pH变化对硼硅酸盐玻璃材料去除行为的影响
   接，进而导致硼硅酸盐玻璃出现二次分离相，使得玻
                                                      规律与机理.
   璃内部结构在水分子的侵蚀作用下易形成凝胶层，从
   而降低硼硅酸盐玻璃的溶解速率. 值得注意的是，除                           1    试验部分
   了水分子诱导的静态腐蚀作用，水分子还会影响核废
                                                      1.1    试验材料
                                  [9]
   料玻璃的磨损磨损性能. 例如，乔等 发现，在干燥环
                                                          选取典型用于核废料玻璃研究的硼硅酸盐玻璃
   境下，核废料硼硅酸盐玻璃的摩擦系数和磨损量最
                                                      (中国建筑材料科学研究院，北京)作为摩擦磨损试验
   大，随着环境湿度从RH20%增大到RH70%时，玻璃基
                                                      的基底材料. 硼硅酸盐玻璃的化学组成为51.55%SiO
   底的磨损系数、磨损量和次表面损伤程度逐渐减小，                                                                         2
                                                      (质量分数w)、15.58% B O 、14.24% Na O、7.66% Al O 、
   而在液态水环境下，由于水分诱导的摩擦化学反应和                                               2  3        2          2  3
                                                      5.96% CaO和5.01% ZrO ，该玻璃的化学组成跟广泛
   润滑作用，使得此时玻璃基底的磨损量和次表面损伤                                                2
                                                      应用于核废料玻璃研究的玻璃(ISG玻璃和SON68玻
   均远小于干燥和潮湿环境下.                                                           [1, 5]
       除了中性的水分子，不同酸碱性的液体环境也能                          璃)的化学组成非常接近             . 采用φ4 mm的不锈钢球
                                           [10]
   显著影响材料的摩擦磨损性能. 例如，Kalin等 发现                        (锐利五金钢球，浙江)作为摩擦磨损试验的对摩副. 通
   Al O 材料在强酸(pH=0.85)和强碱(pH=13)的溶液环                  过采用质量分数38%的HCl溶液(成都市新都区木兰镇
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   境下的摩擦系数明显小于其他环境，但其对应的磨损                            工业开发区，四川)配制不同pH溶液以实现摩擦磨损
   量却很大，这主要归因于Al O 在强酸和强碱环境下                          试验中不同的溶液环境，并采用微型pH计(PHS-W
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   的溶解性较大. Zhang等      [11-13] 发现玻璃和氮化硅球的磨            系列，上海般特仪器有限公司)进行pH的标定以及测
   损行为主要受到氢离子浓度的影响，当处在强酸溶液                            量，溶液的pH分别设置为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0、
   环境时(pH<2)，界面的氢离子浓度足够高，进而导致                         5.0、6.0和7.0.
   摩擦系数受到界面双电层和水化层的影响，造成界面                            1.2    试验方法
                                   [15]
                     [14]
   的摩擦系数小于0.06 . 同时，Yan等 发现当外界溶                           在摩擦磨损验前，将硼硅酸盐玻璃基底和不锈钢
   液的pH从7逐渐降低至1时，聚醚醚酮(PEEK)与氮化                        球在无水乙醇和纯水中先后超声清洗3 min，然后用高
   硅球的界面摩擦系数急剧降低，PEEK的磨损量降低                           纯氮气吹干备用. 采用环境可控的直线往复式摩擦磨
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