Page 102 - 《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 247

580 0.84
pH-1 HCl pH-1 HCl
DI water 0.80 DI water
Vickers hardness/HV 560 K IC /(MPa·m 1/2 ) 0.76
570

550

(a) (b)
540 0.72
0 24 50 0 24 50
Immersion duration/h Immersion duration/h

Fig. 4 The variation of (a) Vickers hardness and (b) fracture toughness of soda lime silica glass with different treatment conditions
图 4 钠钙硅玻璃(a)维氏硬度和(b)断裂韧性随侵蚀处理条件的变化

−3
3
经过强酸溶液侵蚀24 和50 h后，玻璃表面的断裂韧性 0.57×10 mm . 结果表明，在给定的试验条件下，去离
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分别增大为0.78和0.81 MPa·m ，该现象同样发生在 子水浸泡对钠钙硅玻璃的磨损性能影响不大，经强酸
经热电场处理 和水热处理 的钠钙硅玻璃表面. 这 溶液侵蚀后，钠钙硅玻璃在低载下的磨损性能变化不
[23]
[24]
可能是由于钠钙玻璃表面在强酸溶液侵蚀时间增长 大，但在高载下的磨损性能明显降低，且随着强酸侵
时所形成的“富SiO ”结构及其厚度的增大所导致的. 蚀的时间增长而变得更低. 经过强酸溶液侵蚀处理
2
Smith等发现经测量发现当酸性溶液的腐蚀时间增加 24和50 h后的玻璃表面在3 N载荷的磨损体积分别比
时，浮法玻璃表面的“富SiO ”结构的厚度也随之增 原始玻璃的磨损体积增大了15%和42.5%.
2
加，同时基于红外光谱的测试结果发现玻璃对应的Si- 为了进一步掌握不同侵蚀处理条件后玻璃在磨
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O网络拉伸振动峰(1 100~1 050 cm )也出现蓝移，该 损作用下的材料破坏形式，图6示出了钠钙硅玻璃在
偏移即可对应增加的“富SiO ”结构厚度 [25-27] . 因此，随 不同磨损试验后磨痕的光镜图. 可以看出，在低载条
2
着强酸侵蚀时间的增长，使得钠钙硅玻璃表面“富 件下(1 N和2 N)，钠钙硅玻璃的磨痕中存在大量的赫
SiO ”结构的厚度增加，并导致了压痕作用下玻璃内 兹裂纹，这可能是因为在切向力的作用下，钠钙硅玻
2
[29]
部Si-O-Si网络结构致密化程度的提高，从而降低了压 璃出现裂纹的临界载荷远小于磨损过程中的切向力 .
痕作用下的残余应力，抑制了玻璃表面径向裂纹的生 而在高载下(3 N)，玻璃磨痕内部除了有大量的赫兹裂
[28]
长，使得对应断裂韧性的进一步增大 [见图4(b)]. 纹以外，磨屑也明显增多，特别是当钠钙硅玻璃经过

2.4 强酸侵蚀对钠钙硅玻璃宏观磨损性能的影响 强酸侵蚀处理后，磨痕中间出现了明显的黏着磨屑堆
图5(a~c)示出了钠钙硅玻璃经不同条件侵蚀处理 积(图6). 当磨痕内部存在大量的磨屑时，玻璃界面的
后在1、2和3 N条件下的典型磨损二维线轮廓图的变 磨损也从摩擦化学磨损逐渐转变磨粒磨损，使得玻璃
在同等载荷条件下更易出现材料去除，因此，当钠钙
化. 磨损试验的环境湿度为RH50%. 可以看出，除了法
硅玻璃经过强酸侵蚀处理后，玻璃的磨损性能明显降
向力作用，强酸侵蚀还可能改变玻璃表面在切向力作
低，特别是在高载下(3 N). 这可能是因为经过强酸侵
用下的材料破坏行为. 随着载荷的增加，玻璃表面磨
蚀处理后，玻璃表面变得更亲水(图1)，使得磨损过程
损线轮廓的宽度和深度都逐渐增大. 图5(d)对比了通
产生的磨屑易于吸附在磨损界面，从而影响玻璃的磨
过计算得到的钠钙硅玻璃在不同处理条件下的磨损
损性能. 当玻璃表面出现明显的黏着磨损时，其磨损
体积. 可以看出，当磨损载荷从1 N逐渐增至3 N时，原
量远大于摩擦化学导致的磨损量 [2,30] .
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3
始钠钙硅玻璃的磨损体积从0.17×10 mm 逐渐增大
Si−O−Si+H 2 O → 2Si−OH (3)
3
−3
至0.4×10 mm . 当钠钙硅玻璃经去离子水浸泡50 h
+
+
后，玻璃的磨损体积在同等载荷下几乎没有发生变化. Si−O−Na+H 3 O → Si−OH+Na +H 2 O (4)
但当钠钙硅玻璃经强酸溶液(pH=1；HCl)侵蚀处理24 h 此外，玻璃表面化学特性的改变也是导致其磨损
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后，钠钙硅玻璃的磨损体积从0.18×10 mm 逐渐增大 性能的变化的原因. 前期研究表明 [9-11] ，钠钙硅玻璃表
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至0.46×10 mm ；但当钠钙硅玻璃经强酸溶液侵蚀处 面在潮湿空气中的摩擦化学反应主要包括两个相互
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理50 h后，玻璃的磨损体积从0.2×10 mm 逐渐增大至 竞争的因素：一方面，玻璃的Si-O-Si网络结构在剪切