用于ICF的三种典型光学玻璃的AFM纳米划痕行为研究

本文作者通过原子力显微镜,以球形金刚石针尖作为对摩副,在大气环境下对磷酸盐激光玻璃、K9光学玻璃、熔融石英玻璃三种用于ICF系统的典型光学玻璃的纳米划痕行为进行了定量研究.结果表明:随着载荷的增加,三种玻璃的摩擦系数均表现为先保持恒定再剧烈上升的变化趋势.这是由于随着载荷的增加,摩擦机理由界面摩擦主导逐步转变为犁沟摩擦和界面摩擦共同主导所致.在相同的法向载荷作用下,磷酸盐玻璃的摩擦系数最高,K9光学玻璃次之,熔融石英玻璃的摩擦系数最小,这与三种玻璃的机械性能以及它们的表面亲水性密切相关.在相同的载荷下,磷酸盐玻璃和K9玻璃的划痕损伤表现为材料凹陷和堆积并存,而熔融石英玻璃的划痕损伤仅表现为划痕区域明显的凹陷变形.在所有载荷下,熔融石英玻璃的划痕残余深度均略高于磷酸盐玻璃;K9玻璃在低载时的划痕深度在三种玻璃中最大,中载时居中,而高载时最小.不同载荷下玻璃表层的机械性能、塑性流动方式以及其致密化程度都将对最终的划痕残余深度产生影响.     

核废料硼硅酸盐玻璃在酸性溶液环境下的摩擦磨损性能

通过环境可控的直线往复式摩擦磨损试验机，以不锈钢球为对摩副，探究核废料硼硅酸盐玻璃在不同pH酸性溶液环境中的磨损行为和磨损机理. 研究发现，随着外界溶液pH逐渐从1增大到7，摩擦过程中的摩擦系数缓慢增加，但硼硅酸盐玻璃和不锈钢球的磨损量呈现先增大后减小的变化规律. 硼硅酸盐玻璃在不同pH下的材料去除与其界面的电荷特性和接触情况密切相关. 当溶液pH <2.5时，硼硅酸盐玻璃基底和不锈钢球表面带正电荷，界面的排斥作用降低了界面的直接接触和剪切应力，从而降低了玻璃材料的磨损量；当pH为2.5时，硼硅酸盐玻璃表面几乎不带电荷，使得硼硅酸盐玻璃和不锈钢球在磨损过程中进行直接的接触，导致其磨损量最大；当pH>2.5时，硼硅酸盐玻璃表面与不锈钢球表面分别带负电荷和正电荷，界面间呈现吸引力作用，界面间的水化层对磨损界面起到润滑作用，从而降低硼硅酸盐玻璃和不锈钢球的磨损量.      

强酸侵蚀对钠钙硅玻璃表面改性及其磨损性能研究

使用水接触角测量仪、红外光谱仪、纳米压痕仪和显微硬度计,探究了侵蚀处理时间对钠钙硅玻璃在强酸(pH=1,HCl溶液)和纯水侵蚀条件下机械化学性能的变化规律. 采用多功能往复式摩擦磨损试验机,以SiO₂球为对摩副,分析了钠钙硅玻璃在不同侵蚀条件下的磨损行为. 研究发现:经去离子水侵蚀24和50 h后,钠钙硅玻璃的机械化学性能变化不明显,而经强酸侵蚀的钠钙硅玻璃的断裂韧性显著增大,但其纳米硬度、等效弹性模量、维氏硬度和在潮湿空气(RH=50%)下的磨损性能降低. 酸性液体对钠钙硅玻璃性能的影响与Na+析出后玻璃表面形成的侵蚀层密切相关. 与纯水环境相比,钠钙硅玻璃表层Na+在强酸侵蚀时更易被析出,表面化学结构变成“富SiO₂”,同时玻璃表面变得更亲水,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磨损转化为黏着磨损,最终使钠钙硅玻璃的耐磨性降低.      

滑动速度对磷酸盐激光玻璃摩擦磨损性能的影响

通过直线往复摩擦磨损试验机,采用氧化铝陶瓷球作为对摩副,分别在低载和高载下研究了潮湿空气中滑动速度对磷酸盐激光玻璃摩擦磨损性能的影响.结果表明:磷酸盐激光玻璃表面的摩擦系数随速度的增加而降低,这种降低在低载下表现得更为明显.低速滑动下,玻璃上的磨屑主要聚集在磨痕的端部;高速滑动下,由于接触粗糙峰的局部温升引发黏着磨损,磨屑更容易粘附于磨痕的中心,且载荷越大界面局部温升越大,黏着磨损更为显著.随着速度的增加,磷酸盐玻璃的磨损深度和体积减小,这是由于速度的增加导致水分子在接触界面的驻留时间变短,且高速滑动带来的温升使界面吸附水膜更难形成,因此水参与的摩擦化学磨损被削弱.相对于高载而言,低载下滑动速度对材料去除的影响更为明显,这是由于低载磨损时相对较低的摩擦温升更有利于界面水膜的稳定形成,因而水参与的摩擦化学反应对材料去除的贡献更大.     

干燥气氛下速度对钠钙玻璃磨损性能的影响

以硼硅酸盐玻璃球为对摩副，在摩擦磨损试验机上研究了干燥气氛下滑动速度和载荷对钠钙玻璃表面磨损性能的影响规律与作用机理. 研究发现，随着滑动速度从0.25 mm/s逐渐增大到8 mm/s，钠钙玻璃在高载下(2 N)的稳态摩擦系数略微降低，当载荷降低为1 N时，速度对钠钙玻璃摩擦系数的影响并不明显. 随着滑动速度的增加，钠钙玻璃表面的磨损深度和磨损体积逐渐增加，钠钙玻璃在低载下(1 N)的磨损体积增大了21.5倍，而在高载下(2 N)的磨损体积增大了12.5倍. 低速时，钠钙玻璃接触界面温升较小，磨损机理以磨粒磨损和黏着磨损为主，并伴有少量脆性剥落. 随着速度的增加，磨屑逐渐转移到对摩副pyrex球表面并参与到磨损过程，钠钙玻璃的磨损机理转变为黏着磨损和犁沟去除. 相对于高载而言，低载下滑动速度对钠钙玻璃材料去除的影响更为显著，这是由于随着速度的增加，低载下玻璃界面的温升增长率大于高载下.      

水分对核废料硼硅酸盐玻璃摩擦磨损性能的影响

使用环境可控的摩擦磨损试验机，以不锈钢球作为对摩副，探究了不同水分环境下(干燥、相对湿度RH20%、RH50%、RH70%和液态水) 核废料硼硅酸盐玻璃的磨损规律和机理. 研究发现:硼硅酸盐玻璃基底和不锈钢球的稳态摩擦系数、磨损量和次表面损伤随着环境湿度的增加逐渐减小，而在液态水环境中，玻璃界面的稳态摩擦系数、磨损量以及次表面损伤深度均远小于干燥和潮湿空气. 核废料硼硅酸盐玻璃在干燥环境下的磨损形式以黏着磨损和磨粒磨损为主；在潮湿和液态水环境下，玻璃的磨损行为由水分诱导的摩擦化学磨损主导. 玻璃表面吸附水分子诱导的摩擦化学作用和润滑作用，造成了玻璃在液态水环境中的磨损量和次表面损伤均远小于干燥和潮湿环境下.