Page 61 - 《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                                       327

   改变  [11-13] ，因此，氢离子的浓度将显著影响玻璃材料的                   从而导致玻璃基底和不锈钢的磨损量最大，如图2~
   磨损机理. 在酸性溶液中，硼硅酸盐玻璃表面活性基                           3所示. 此外，通过图4(e)可以发现，玻璃基底的次表层
            +
   团可能与H 发生如下化学反应：                                    损伤在pH为2.5时最为严重，次表面存在明显的半球
                         +          +                 状损伤区域，且存在横向裂纹. 上述现象表明，当外界
               Si−OH+H → Si−OH 2              (3)
                                                      溶液pH与硼硅酸盐玻璃基底的等电点非常接近时，摩
                Si−OH → Si−O +H    +          (4)
                              −
                                                      擦诱导的应力腐蚀作用将导致硼硅酸盐玻璃和不锈
                                         +
       上述两种反应的发生与溶液的pH值(H 浓度)密
                                                      钢球出现较大的磨损量，并加深玻璃次表层损伤和裂
                    +
   切相关，当溶液的H 浓度较大时，玻璃表面将形成Si-
                                                      纹扩展.
       +
   OH [见式(3)]，此时玻璃表面正电荷的数量大于负电
      2                                                   当外界pH不等于2.5时，硼硅酸盐玻璃界面的静
   荷的数量，导致玻璃表面净带正电荷；然而，当溶液
                                                      电荷将不再为零，进而接触界面的电荷效应和材料的
    +
                                 −
   H 浓度较小时，玻璃表面形成Si-O [见式(4)]，此时玻
                                                      磨损行为也将有所改变. 图5分别示出了硼硅酸盐玻
   璃表面正电荷的数量小于负电荷的数量，进而导致玻
                                                      璃和不锈钢球在较大和较小pH时的磨损机理图. 当
   璃表面净带负电荷. 研究表明，当溶液中H 浓度达到
                                        +
                                                      pH小于2.5时[图5(a)]，溶液中氢离子浓度较高，表面质
   某一特征值时，固体材料表面的净带电荷会变成零，
                                                      子化效应导致硼硅酸盐玻璃和不锈钢表面均带正电
                                    [19]
   这一数值即为该材料的等电点(pH ) . 对于不锈钢                         [式(3)]. 当两个带同种电荷的界面进行接触摩擦时，
                                 pzc
                    [20]
   球 ， 其 等 电 点 为 7 .  根 据 双 电 层 理 论 ， 当 溶 液
                                                      玻璃界面会形成排斥力，从而减少硼硅酸盐玻璃基底
   pH<7.0时，不锈钢球表面在酸性溶液中正电荷的数量
                                                      与不锈钢球的直接接触，进而减少接触界面的摩擦系
   高于负电荷的数量，因此不锈钢球在pH在1.0到7.0之                        数(图2)和磨损量(图3~4). 随着H 浓度的增加(pH值减
                                                                                 +
             [21]
   间均带正电 . 早期流动电流测量表明，二氧化硅的                           小)，由双电层效应引起的排斥力和电黏性逐渐增大 ，
                                                                                                 [25]
            [22]
   pH 为2.0 ，然而该方法无法直接准确测量硼硅酸                          使得玻璃界面的有效接触压力大大降低，此时，界面
     pzc
   盐玻璃等块状材料的等电点. 但由于氧化玻璃的                             电荷效应对玻璃基底的磨损行为起到了主导作用，从
   pH 约为1.8~2.8   [23-24] ，此外，硼硅酸盐玻璃界面和不              而使得在pH≤2.5范围内，硼硅酸盐玻璃基底和不锈
     pzc
   锈钢球的磨损量在pH等于2.5前后的磨损量变化趋势                          钢球的磨损量随着pH的降低而逐渐降低(图2~4). 这
   完全相反(图1~3)，可以推断，核废料硼硅酸盐玻璃的                         与Yan等 发现聚醚醚酮(PEEK)与氮化硅球的磨损随
                                                             [15]
   pH 为2.5. 因此，根据双电层理论，玻璃表面在溶液                        溶液pH降低而减小的现象一致.
     pzc
   pH<2.5时带正电，pH>2.5时带负电. 可以看出，由于在                        另一方面，当溶液pH>2.5时，溶液中的H 浓度大
                                                                                            +
              +
   不同pH值(H 浓度)的溶液中，硼硅酸盐玻璃和不锈钢                         幅度减小，导致硼硅酸盐玻璃界面带负电荷[式(4)]，
   球表面所带电荷有所变化，因此，硼硅酸盐玻璃在不                            然而不锈钢球表面仍呈正电，因此此时摩擦接触界面
   同pH环境下的磨损性能与其界面的接触情况以及电                            呈现吸引力的电荷效应[图5(b)]. 由于水分子的极性，
   荷特性密切相关.                                           界面引力的电荷效应仍然会诱导形成界面水合层，从
       当溶液pH等于2.5时，由于硼硅酸盐玻璃表面所                        而对摩擦界面产生润滑效果，最终降低玻璃和不锈钢
   带电荷量很小或几乎为零，使得摩擦过程中的静电效                            球的磨损量. 值得注意的是，当pH>2.5时，玻璃界面的
   应相对较弱，因此导致硼硅酸盐玻璃与不锈钢球在摩                            摩擦系数较大(图1)，表明引力的电荷效应对玻璃摩擦
   擦磨损过程中直接接触，磨损过程中产生的磨屑也大                            系数的变化要小于斥力的电荷效应(图5). 所以，当
   量堆积在磨痕中央，使得界面的磨损机制为黏着磨损，                           pH>2.5时，正是由于硼硅酸盐玻璃和不锈钢球摩擦界
            Stainless steel ball                                Stainless steel ball
                                          Fe 2+                                              Fe 2+

      H 2 O  Hydration layer  H 2 O    H     H           H 2 O  Hydration layer  H 2 O           H
                                           O                                                  O
                                                                Borosilicate glass
                                           Si                                                 Si
                     (a) pH < 2.5                                       (b) pH > 2.5

                    Fig. 5  Wear mechanism diagram of borosilicate glass surface in various pH solutions
                            图 5    硼硅酸盐玻璃在不同pH溶液中摩擦磨损行为的机理图
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