Page 104 - 《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
玻璃表面的Si-OH羟基浓度增大，使得钠钙硅玻璃表
层结构变成“富SiO ”(图2)，该结构弱化了在磨损过程
2
+
中玻璃表面Na 析出与水化物质的离子交换作用，进
而导致摩擦诱导的玻璃表面Si-O-Si网络结构的水解
反应的增强，钠钙硅玻璃磨损性能的降低
经强酸侵蚀后钠钙硅玻璃表面形成的“富SiO ”结构
也会造成其耐磨性的降低.
综上所述，在同等侵蚀时长下，钠钙硅玻璃经去
离子水处理后的机械化学性能变化不大，但经强酸侵
蚀后其机械化学性能发生了明显变化. 经强酸(pH=1；
HCl)侵蚀后，钠钙硅玻璃表面机械化学性能的变化主
+
要源于玻璃表层Na 析出以及表层“富SiO ”结构的形
2
成(图2). 该层结构的纳米硬度、等效弹性模量、维氏硬
度和磨损体积明显减小(图3和图4)，但其宏观断裂韧
性却明显增大(图4). 这种玻璃表面机械化学性能的变
化与其他的特殊处理的结果类似，比如热电场处理 、
水热处理 等，其本质是由于玻璃表层化学结构的变
[24]
化. 从应用角度来看，当钠钙硅玻璃在制造或服役过
程中面临去离子水的侵蚀作用时，常温下短时间的侵
蚀并不会明显改变钠钙硅玻璃表面的机械化学性能.
然而，当钠钙硅玻璃面临强酸(pH=1；HCl)侵蚀时，尽
管常温和短时间侵蚀(22 ℃，50 h)对钠钙硅玻璃表层
的侵蚀作用要弱于高温和长时间侵蚀条件下(90 ℃，
[15]
240 h，“富SiO ”厚度为160 nm) ，但玻璃表层的机械
2
化学性能却发生了明显的变化(图1~6). 而且，随着强
酸侵蚀作用的增强，玻璃表层“富SiO ”结构的厚度逐
2
渐增大，最终造成玻璃表层的机械化学性能发生更显
著的变化. 此外，经强酸侵蚀后，玻璃表层在法向应力
下的机械性能和切向应力作用下的磨损性能降低，但
其断裂韧性却明显增大，因此在实际应用过程中，可
以根据钠钙硅玻璃的主要破坏形式而相应调控其面
临的外界应力作用，从而延长其在服役过程中的稳定
性和使用寿命.
3 结论
a. 经去离子水侵蚀后钠钙硅玻璃的机械性能变
化没有明显变化，但经强酸侵蚀后的钠钙硅玻璃表层
结构变成“富SiO ”，其在法向压力作用下更易出现稠
2
密化，使钠钙硅玻璃表层纳米硬度、等效弹性模量和
维氏硬度减小，而其断裂韧性增大.
b. 强酸侵蚀后的钠钙硅玻璃表面在潮湿空气下
(RH 50%)的磨损性能降低，且在高载荷下磨损性能降
低更为明显. 酸性液体对钠钙硅玻璃性能的影响与
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+
Na 析出后玻璃表面形成的侵蚀层密切相关. 强酸侵
蚀时钠钙硅玻璃表面化学结构变成“富SiO ”，该层使
2
得钠钙硅玻璃变得更亲水，磨损过程产生的磨屑易于
吸附在摩擦界面，从而导致界面磨损形式由摩擦化学
[23-24] . 因此， 磨损转化为黏着磨损，最终造成钠钙硅玻璃耐磨性的
降低.
2
参 考 文 献
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