Page 62 - 《摩擦学学报》2020年第3期

328 摩 擦 学 学 报 第 40 卷

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面的水合层结构，最终降低玻璃基底和对摩副的磨损 磨损量从0.1×10 mm 增大到0.62×10 mm ，而在pH=
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量(图3~4) . 随着溶液pH的增大，界面应力的电荷效 5.0时的磨损量从0.048×10 mm 增至0.11×10 mm .
应增强，从而使得此时硼硅酸盐玻璃与不锈钢球的磨 结果表明，当pH=1.0和5.0时，硼硅酸盐玻璃基底的磨
损量随着pH的增大而减小(图2~4). 损行为对磨损速度的变化并不敏感，这是因为此时主
为了进一步验证硼硅酸盐玻璃表面电荷特性对 导玻璃磨损的因素是玻璃表面电荷特性. 然而在pH=2.5
其磨损性能的影响，图6示出了速度对硼硅酸盐玻璃 时，玻璃基底的材料去除对磨损速度的变化非常敏
在不同pH溶液下的磨损性能的影响. 可以看出，当 感，这是因为此时主导玻璃磨损的因素是界面的接触
pH=1和pH=5时，硼硅酸盐玻璃的磨损深度和磨损体 情况，当滑动速度降低时，玻璃界面的接触时间增大，
积要明显小于pH=2.5时，此外，当滑动速度从4 mm/s 使得玻璃在相同磨损次数条件下的磨损量明显增大，
减小至0.5 mm/s，硼硅酸盐玻璃在pH=1.0时的磨损量 这与氧化玻璃在潮湿空气中随速度的增大而减小的
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从0.032×10 mm 增至0.036×10 mm ，在pH=2.5时的 结果一致 .
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0.75
pH=1.0 pH=2.5 pH=5.0 pH=1.0
0.0 pH=2.5
0.5 mm/s 0.50 pH=5.0
Height/µm −0.6 1 mm/s 0.25
−0.3 Wear volume×10 4 /mm 3

2 mm/s
−0.9
4 mm/s 0.00
0 100 200 1 2 3 4
Distance/µm Speed/(mm/s)
(a) (b)

Fig. 6 Characteristic line profiles (a) and wear volume (b) of borosilicate glass substrate in various pH
conditions under different velocity
图 6 不同磨损速度下硼硅酸盐玻璃在不同pH溶液中的典型磨损轮廓线(a)和磨损体积(b)

综上所述，核废料硼硅酸盐玻璃的摩擦磨损性能 擦系数呈现缓慢增大的趋势.

对溶液pH的大小非常敏感. 当溶液pH逐渐从1.0增大 b. 当溶液pH从1.0逐渐增至7.0时，硼硅酸盐玻璃
到7.0，摩擦过程中的摩擦系数缓慢增加，但硼硅酸盐 与不锈钢球的磨损量均呈现先增大后减小的变化规
玻璃和不锈钢球的磨损量呈现先增大后减小的变化 律. 硼硅酸盐玻璃在不同pH下的材料去除与其界面的
规律. 硼硅酸盐玻璃在不同pH下的材料去除与其界面 电荷特性和接触情况密切相关. 当pH为2.5时，硼硅酸
的电荷特性和接触情况密切相关. 当溶液pH <2.5时， 盐玻璃和不锈钢球在磨损过程中进行直接的接触，导
硼硅酸盐玻璃基底和不锈钢球表面带正电荷，界面的 致磨损量最大；当pH <2.5时，界面的排斥作用降低了
排斥作用降低了界面的直接接触和剪切应力，从而降 界面的直接接触和剪切应力，降低了材料的磨损量；
低了玻璃材料的磨损量；当pH为2.5时，硼硅酸盐玻璃 当pH>2.5时，界面间呈现吸引力作用，导致界面间的
表面几乎不带电荷，使得硼硅酸盐玻璃和不锈钢球在 水化层对磨损界面起到润滑作用，并降低了硼硅酸盐
磨损过程中进行直接的接触，导致其磨损量最大；当 玻璃和不锈钢球的磨损量.
pH>2.5时，硼硅酸盐玻璃表面与不锈钢球表面分别带 参 考 文 献
负电荷和正电荷，摩擦界面的引力作用导致界面间水
[ 1 ] Gin S, Abdelouas A, Criscenti L J, et al. An international initiative
分子产生极性，从而对磨损界面产生润滑作用，并降
on long-term behavior of high-level nuclear waste glass[J]. Materials
低了硼硅酸盐玻璃和不锈钢球的磨损量.
Today, 2013, 16: 243–248. doi: 10.1016/j.mattod.2013.06.008.
3 结论 [ 2 ] Gin S, Jollivet P, Fournier M, et al. The fate of silicon during glass
corrosion under alkaline conditions: a mechanistic and kinetic study
a. 当溶液pH从1.0逐渐增至7.0时，摩擦界面的摩 with the international simple glass[J]. Geochimica et Cosmochimica