Page 99 - 《摩擦学学报》2021年第2期
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244                                     摩   擦   学   学   报                                 第 41 卷


                                                                                               −1
                                                                                 -1
                基于优异的力学、化学和光学等性能，钠钙硅玻                          IR吸收峰从1 060 cm 偏移至1 065 cm ，分析表明，由
            璃已广泛应用于建筑、显示屏幕和汽车挡风玻璃等日                            于钠钙硅玻璃主干网络Si-O-Si网络结构上连接着可
                                                                       +
                                                                              +
            常生活领域     [1-2] . 然而，在其制造加工或服役过程中，钠                析出性Na ，而Na 在酸性液体环境中易于从玻璃表层
                                               [3]
                                                                                                         [15]
            钙硅玻璃长期暴露于潮湿或液体环境中 . 此外，近年                          析出，使得玻璃表层变成“富SiO ”结构. Amma等 发
                                                                                           2
            来我国酸雨污染的问题日益凸出，作为长期暴露于大                            现钠钙硅玻璃在同等酸性条件下侵蚀处理240 h后，钠
                                                                               +
            气环境的钠钙硅玻璃，会长期面临酸雨对玻璃表面的                            钙硅玻璃表面“Na ”缺失层的厚度为160 nm，钠钙硅
            侵蚀，从而威胁到钠钙硅玻璃的服役稳定性和服役寿                            玻璃表面的纳米硬度也从最初的8 GPa降低为7 GPa.
              [4]
            命 . 因此，研究不同环境对钠钙硅玻璃表面机械化学                          可以看出，酸性液体对钠钙硅玻璃的侵蚀作用主要源
                                                                   +
            性能的影响规律与机理，不仅有助于加深对玻璃表面                            于Na 析出后玻璃表面侵蚀层的形成. 然而，钠钙硅玻
            材料损伤与破坏的认识，还能为提升其服役稳定性和                            璃表面经强酸侵蚀后机械化学性能和磨损性能的变
            寿命提供理论依据和技术指导.                                     化规律尚不明确.
                在潮湿或液态水环境下，水分子容易吸附在钠钙                              为了系统地探究强酸侵蚀对钠钙硅玻璃表面改
            硅玻璃表面，从而改变玻璃的机械化学性能. 例如，                           性和磨损性能的影响，选用室温下的HCl溶液(pH=1)
                     [5]
            Surdyka等 发现相对于无水环境(液态戊醇)，潮湿环                       和去离子水分别作为侵蚀溶液，首先对比研究经侵蚀
            境和液态水使得钠钙硅玻璃的维氏压痕硬度从                               后玻璃表面化学结构、水接触角、表层机械性能以及
                                                         1/2
            HV570增大到HV590，而其断裂韧性则从0.85 MPa·m                   玻璃表面在法向应力作用下维氏硬度和断裂韧性的
                                      1/2
            分别降低至0.81和0.76 MPa·m . 分析表明，玻璃硬度                   变化，然后以SiO 球作为摩擦对偶，研究切向应力作
                                                                              2
            和断裂韧性的降低可能是因为在应力作用下，水分子                            用下钠钙硅玻璃在潮湿空气中(RH=50%)的磨损性能.
            可加速钠钙硅玻璃中Si-O-Si网络结构的水解作用，这                        通过对比分析总结强酸侵蚀对钠钙硅玻璃表面改性
            与经典的应力腐蚀理论一致 . Tadjiev等             [7-8] 通过透射     及其磨损性能的影响规律.
                                     [6]

            电镜(TEM)观测发现，由于水分子与玻璃表层的水合
                                                               1    试验部分
            作用，钠钙硅玻璃表面在纯水浸泡后生成了非晶化程
            度更高、密度更小的表层结构，同时发现当钠钙硅玻                                选用日本旭硝子玻璃公司 (Asahi Glass Company，
            璃在5 h浸泡以后，表面的纳米硬度从7 GPa降低到                         Tokyo，日本)提供的浮法钠钙硅玻璃作为试验基底材
            3.8 GPa，弹性模量从75 GPa降低至50 GPa. 除了法向                 料. 由于玻璃浮法制造工艺产生了两个不同的表面，
                                                                           [16]
            的应力作用，水分子的存在还会影响钠钙硅玻璃在切                            空气面和锡面 ，因此，为了减少锡面中锡元素(Sn)对
            向作用下的材料损伤与破坏. 例如，Rouxel等 发现，                       试验研究的影响，本文中选用浮法玻璃的空气面进行
                                                    [9]
            当环境湿度RH从0逐渐增至100%时，钠钙硅玻璃表面                         研究. 试验前，分别用酒精和去离子水进行超声清洗
            在同等划痕载荷下的划痕损伤程度也逐渐增大. 分析                           5 min进而用干燥空气吹干待用. 然后，采用20 ml的盐
            认为，水分和压力诱导的应力腐蚀作用会加速玻璃                             酸溶液(pH=1)对钠钙硅玻璃进行侵蚀处理，处理时间
            Si-O-Si网络结构的破坏. 又如，Kim等          [10-11] 通过磨损试     分别为24和50 h. 作为对比，同时还采用去离子水对钠
            验发现，当环境湿度RH从20%增加到90%时，钠钙硅                         钙硅玻璃进行同样流程的侵蚀处理. 待侵蚀处理完成
            玻璃表面在0.2 N载荷下的磨损量降低了近 80%. 分析                      后，再用去离子水进行清洗，并用干燥空气吹干待用.
                                               +
            认为，这可能是玻璃表层的可析出性Na 和水化物质                               采用水接触角测量仪(NRL-100，Rame-Hart，美
            (Si-OH和H O)的离子交换作用造成玻璃表面抗压强                        国)对浸泡处理后玻璃表面的水接触角进行测量. 借助
                      2
                               [12]
            度的提高. 最近，He等 发现钠钙硅玻璃在 pH=3的酸                       红外反射光谱仪(Bruker Hyperion 3 000，美国)表征侵
            性溶液下的磨损量比在纯水环境下低33%，这表明在                           蚀处理后玻璃表面的化学结构变化，红外光的入射角
            磨损过程中，酸性液体环境下玻璃表面可析出性                              为20°，测量范围为140 μm × 140 μm，精度为4 cm . 采
                                                                                                        −1
               +
            Na 和水化物质的离子交换作用要强于纯水环境.                            用纳米压痕仪(G200，Keysight，美国)的连续刚度模式
                除了中性的水分子，酸性液体环境也会侵蚀玻璃                          对侵蚀后玻璃表层的纳米机械性能进行表征. 压入深
                                                                                          −1
            表面   [13] . 为了模拟酸性液体对钠钙硅玻璃的侵蚀效                     度设为250 nm，应变率为0.05 s ，谐波位移 2 nm，频
            果，Sheth等  [14] 发现当钠钙硅玻璃经90 ℃的HCl溶液                 率 45 Hz. 为保证试验结果准确可信，每个参数下的试
            (pH=1)侵蚀处理24 h时，玻璃的Si-O-Si网络结构的                    验至少单独重复 10 次. 使用显微硬度计(HXD-1000TMC/
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