Page 100 - 《摩擦学学报》2021年第2期

第 2 期 乔乾, 等: 强酸侵蚀对钠钙硅玻璃表面改性及其磨损性能研究 245

LCD，上海泰明光学仪器有限公司，中国)对玻璃样品 50
pH-1 HCl
进行显微压痕试验，压痕测试的载荷为2 N和3 N，试 40 DI water
验 环 境 为 RH50%和 22 ℃， 试 验 后 用 光 学 显 微 镜
(BX51-P，Olympus，日本)测量单向压痕对角线(a)以及 30
裂纹(c)的长度变化，并用式(1)和式(2)分别计算玻璃 Water conact angle/(°) 20
表面维氏硬度和断裂韧性的变化：

H V = (1.854× P)/d 2 (1) 10

1/2
3/5
K Ic = 0.022×(E 2/5 × P )/[Φ 3/5 ×a 1/5 ×(c−a) ] (2) 0
Pristine 24 h 50 h
式中：P为压痕载荷，E为材料的弹性模量， Φ是用维氏
Fig. 1 The variation of water contact angle of soda lime silica
硬度代替Meyer硬度的约束因子，其值为3.55 [17-18] ，d为 glass surface with the various treatment conditions
压痕对角线平均长度. 最后，使用多功能往复式摩擦 图 1 钠钙硅玻璃表面水接触角随侵蚀处理条件的变化
磨损试验机(MFT3000，Rtec，美国)对玻璃表面进行磨
损试验，磨损的时长为3 min，磨损长度为5 mm，磨损 1 056 1 063
速度为4 mm/s，载荷为1、1.5、2、2.5和3 N. 对摩副选择
ϕ4 mm的 SiO 球. 磨损的试验湿度和温度为RH50%和
2
22 ℃. 试验完成后用白光干涉仪(MFT3000，Rtec，美 Reflectance/a.u.
国)对磨损后的玻璃表面进行原位形貌扫描，获得磨
痕的二维轮廓曲线图以及三维图. 为了进一步表征磨 Pristin
Water-50 h
损后玻璃界面的变化，采用光学显微镜表征钠钙硅玻 pH=1 HCl 24 h
pH=1 HCl 50 h
璃基底的损伤情况. 为保证试验结果准确可信，每个
900 1 000 1 100 1 200
参数下的试验至少单独重复5 次. Wavenumber/cm −1

Fig. 2 FTIR spectra of soda lime silica glass surface treated
2 结果与讨论 under various conditions

图 2 钠钙硅玻璃表面在不同侵蚀处理条件下的FTIR光谱
2.1 强酸侵蚀对钠钙硅玻璃表面化学结构的影响
图1为钠钙硅玻璃硅表面水接触角随侵蚀处理条 −1
璃的Si-O-Si的非对称伸缩振动峰的位置(1 120 cm )
件的变化. 可以看出，原始钠钙硅玻璃的水接触角为 大于大多数硅酸盐玻璃 [14,20] . 可以看出，当钠钙硅玻璃
36°. 经去离子水侵蚀处理24和50 h后，钠钙硅玻璃表 经过强酸溶液侵蚀后，Na 从玻璃表层析出，玻璃表层
+
面的水接触角分别降低为30°和27°. 而当经强酸溶液 结构变成“富SiO ”. 当Na 析出后，原来与Na 相连的
+
+
2
(pH=1；HCl)处理24和50 h后，钠钙硅玻璃表面的水接 非键桥氧(NBO)变成OH，使得玻璃表面的Si-OH羟基
触角分别降低为13°和9°. 结果表明，经去离子水和强 浓度增大. 这与图1中经强酸侵蚀后玻璃表面水接触
酸溶液侵蚀后，钠钙硅玻璃表面水接触角明显降低， 角降低的结果一致. 值得注意的是，图1中经去离子水
这表明玻璃表面Si-OH浓度经不同液体条件侵蚀后增 侵蚀后表面Si-OH羟基浓度有轻微增加，表明去离子

大，而强酸条件下玻璃表面Si-OH羟基浓度增大更为 水环境也可使玻璃表层的Na 析出，但图2中FTIR的结
+
明显. 果表明玻璃表面Si-O-Si网络结构没有发生明显变化，
为了进一步表征强酸侵蚀后玻璃表面化学特性 这可能是因为在给定的试验条件下，去离子水对玻璃
的变化，图2对比了钠钙硅玻璃表面的FTIR光谱图. 可 的侵蚀作用较弱，使得其侵蚀玻璃表层的深度要远小
−1
[21]
以看出，原始钠钙硅玻璃在900~1 200 cm 范围内存 于FT-IR的探测深度 .

−1
在1个主吸收峰(1 056 cm ). 该峰主要源于钠钙硅玻 2.2 强酸侵蚀对钠钙硅玻璃表层机械性能的影响
[14]
璃表层Si-O-Si的非对称伸缩振动 . 经过去离子水侵 由于经去离子水和强酸溶液侵蚀处理后，玻璃表
蚀50 h后，该峰的位置没有改变. 经过强酸溶液处理24 h 层的化学结构发生了变化(图1和图2)，玻璃表层机械
−1
后，该峰出现了蓝移，增大到1 063 cm . 由于硅酸盐 性能也可能会出现改变，因此，图3(a)和图3(b)对比了
[19]
玻璃中Si-O平均键长略大于石英玻璃 ，因此石英玻 不同侵蚀处理条件下钠钙硅玻璃表面的纳米硬度和