Page 60 - 《摩擦学学报》2020年第3期

326 摩 擦 学 学 报 第 40 卷

深度和磨损体积. 当溶液pH从1.0增至2.5时，硼硅酸盐 损伤位置存在明显的横向裂纹和侧向裂纹. 结果表
玻璃基底的磨损深度从0.02 μm逐渐增至0.18 μm，其 明，硼硅酸盐玻璃基底在不同酸性溶液环境下的次表
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3
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−4
对应的磨损体积则从0.04×10 mm 增至0.15×10 mm . 层损伤规律和表层损伤规律一致(见图3).
然而当溶液pH进一步增大时，硼硅酸盐玻璃基底的磨 2.3 硼硅酸盐玻璃和不锈钢球在不同pH下的磨损
损深度和磨损体积却开始缓慢减小，当溶液pH=7.0时， 机理
[17]
硼硅酸盐玻璃的磨损深度和体积分别降低至0.06 μm 前期研究表明 ，在液态环境中，界面的摩擦化
−4
3
和0.06×10 mm . 上述结果表明，硼硅酸盐玻璃基底 学反应将对材料的磨损起到重要影响，其中针对硼硅
的磨损规律对接触界面溶液pH的变化非常敏感，当 酸盐玻璃，水分子诱导的摩擦化学反应往往起着主导
pH小于2.5时，硼硅酸盐玻璃基底的磨损量随着溶液 作用. 通常情况下，水分诱导硅酸盐玻璃表面的摩擦
pH的增加而增大，然而当pH大于2.5时，硼硅酸盐玻璃 化学反应主要包括两个因素：第一，剪切应力下的Si-
O-Si网络结构的水解反应，造成其网络结构键的断
基底的磨损随着溶液pH的增加而缓慢减小. 这与不锈
裂，从而加速玻璃表面结构的损伤与破坏. 该过程即
钢球的磨损量随溶液pH的变化规律一致(见图2).
[18]
为应力腐蚀理论是应力腐蚀理论 ，其化学反应可表
为了进一步掌握硼硅酸盐玻璃在不同酸性环境
示为
下的磨损行为，图4对比了不同酸性环境下硼硅酸盐
玻璃磨损区域及其次表层损伤的扫描电镜图. 可以看 Si−O−Si+H 2 O → 2Si−OH (1)
+
出，当pH为1.0和5.0时，硼硅酸盐玻璃表面磨痕相对光 第二，玻璃表面析出性Na 的析出与离子交换作
+
滑，在摩擦过程中，玻璃基底的材料去除深度较小，少 用. 对于钠钙玻璃而言，玻璃表层的Na 易析出，并与
+
量的磨屑黏着在磨痕内部. 然而当pH为2.5时，玻璃表 环境中的水化物质(如H O和H O )发生离子交换反
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面出现了明显的材料去除，磨痕内部伴随着大量的磨 应，其化学反应可表示为
+
+
屑和赫兹裂纹. 同时，通过图4(d)可以发现，当pH为 Si−O−Na+H 3 O → Si−OH+Na +H 2 O (2)
1.0和5.0时，玻璃基底的次表层损伤相对轻微，损伤形 然而前期研究表明 ，主导核废料硼硅酸盐玻璃
[9]
式以剪切变形为主，次表层深度分别为7.8和13.4 μm， 在水分环境下摩擦磨损性能的主要因素不是析出性
+
然而当pH为2.5时，次表层损伤形式包括剪切变形和 Na 诱导的摩擦化学反应，而是界面的水解作用和润
+
少量的微裂纹，整个次表面的损伤呈现“半月”状，损 滑作用. 此外，当外界溶液环境包含大量H 时，由于玻
伤深度为pH为1.0和5.0时的近1.8~3.2倍(约24.6 μm)， 璃表面活性基团的改变，界面摩擦磨损性能也会发生

pH=1.0 pH=2.5 pH=5.0

10 μm 10 μm 10 μm

(a) (b) (c)

pH=1.0 pH=2.5 pH=5.0

7.8 μm 13.4 μm
24.6 μm
20 μm 20 μm 20 μm

(d) (e) (f)

Fig. 4 SEM micrographs of the wear track (a~c) and subsurface damage (d~f) of borosilicate glass after wear
tests in various pH solutions
图 4 硼硅酸盐玻璃在不同pH溶液中的形貌和次表面损伤的SEM照片