Page 58 - 《摩擦学学报》2020年第3期

324 摩 擦 学 学 报 第 40 卷

损试验机(MFT-3000，Rtec，San Jose，CA)进行摩擦磨 面的稳态摩擦系数呈现随着溶液pH的增加而缓慢增
损试验. 试验的磨损长度为5 mm，磨损速度为4 mm/s， 大的变化规律. 值得注意的是，硼硅酸盐玻璃在酸性

磨损时间为3 min，法向载荷为2 N. 每一种工况条件下 溶液中的摩擦系数与在液态水环境中(约0.24)的比较
[9]
的摩擦磨损试验至少单独重复5次，以确保获取的试 接近 ，表明此时摩擦界面的润滑作用和摩擦化学作
验数据的真实性和可信度. 借助白光干涉三维形貌扫 用主导界面的摩擦磨损行为.
描仪(MFT-3000，RTEC，San Jose，CA)进行原位观测 2.2 硼硅酸盐玻璃和不锈钢球在不同pH下的磨损
硼硅酸盐玻璃基底和不锈钢球表面的磨痕形貌和二 行为
维特征磨损线轮廓，同时基于材料的二维特征磨损线 图2(a~c)为摩擦磨损试验后3个典型不锈钢球的
轮廓计算其对应的磨损体积，以总结硼硅酸盐玻璃在 二维特征磨损线轮廓，分别对应磨损时溶液pH分别为
不同pH溶液环境中的磨损规律. 最后，采用扫描电镜 1.0、2.5和5.0. 可以发现，无论溶液pH的大小，不锈钢
(EVO18，Zessie，Oberkochen，Germany)观测硼硅酸盐 球均出现了明显的材料去除(磨损)，且磨损表面相对
玻璃基底的磨痕形貌. 光滑. 为了定量对比不锈钢球在不同酸性条件下磨损
体积变化，图2(d)示出了通过计算得到的不锈钢球磨
2 结果和讨论
损体积随溶液pH的变化规律. 当溶液pH为1.0时，不锈
3
−6
2.1 硼硅酸盐玻璃和不锈钢球在不同pH环境下的 钢球的磨损体积最低，为0.4×10 mm ，随着溶液pH值
摩擦行为 的增大，不锈钢球的磨损体积逐渐增大，当溶液pH为
−6
3
图1(a)为不同pH环境下硼硅酸盐玻璃与不锈钢球 2.5时达到最大值(1.2×10 mm ). 然而随着溶液pH的
的摩擦系数随摩擦磨损时间的变化规律. 可以看出， 进一步增加，不锈钢球的磨损体积开始缓慢减小，当
随着摩擦磨损的进行，硼硅酸盐玻璃界面的摩擦系数 溶液pH=7.0时，不锈钢球的磨损体积降低为0.42×
3
−6
逐渐稳定在0.2~0.3的范围内，其具体数值与试验环境 10 mm . 结果表明，在摩擦磨损过程中，不锈钢球的
的pH值密切相关. 基于图1(a)的结果，图1(b)示出了玻 磨损性能容易受到溶液pH的影响. 当pH小于2.5时，不
璃界面稳态摩擦系数随溶液pH值的变化规律. 当外界 锈钢球的磨损量随着pH的增加而增大，而当pH大于
溶液环境的pH为1.0时，摩擦磨损接触界面的稳态摩 2.5时，不锈钢球的材料去除量随着溶液pH的增加而
擦系数约为0.20. 随着溶液pH值的逐渐增大，玻璃界 缓慢减小.
面的稳态摩擦系数也逐渐增大. 当溶液pH数值在 图3为不同pH溶液下磨损试验后硼硅酸盐玻璃基
2.0~5.0范围内时，玻璃界面的稳态摩擦系数约为 底的磨损形貌、磨损轮廓以及磨损高度和体积的变化
0.23，但随着溶液pH的进一步增大，硼硅酸盐玻璃界 规律. 可以看出，硼硅酸盐玻璃在不同pH溶液的磨损
面的摩擦系数进一步增大，在pH=7时达到最大(约 试验下均出现了明显的材料去除[图3(a~d)]，且比不锈
0.27). 结果表明，在摩擦磨损过程中，外界溶液pH会 钢的更为严重(图2). 图3(e)和图3(f)分别为通过计算得
影响硼硅酸盐玻璃的稳态摩擦系数，硼硅酸盐玻璃界 出的硼硅酸盐玻璃基底在不同pH溶液环境下的磨损

0.3 0.3

Friction coefficient 0.2 pH=1.0 pH=1.5 efficient Steady friction coefficient 0.2

pH=2.0
pH=2.5
0.1
pH=3.0
pH=6.0
pH=5.0 pH=4.0 n c 0.1
pH=7.0 fricti
0.0 d 0.0
0 60 120 180 1 2 3 4 5 6 7
Ste
Time/s pH
pH
(a) (b)

Fig. 1 Friction coefficient (a) and steady-state friction coefficient (b) of borosilicate glass substrates when rubbing with a stainless
steel ball in various pH solutions
图 1 硼硅酸盐玻璃在不同pH溶液中的摩擦系数(a)以及稳态摩擦系数(b)