鈉鈣玻璃機械化學磨損的機理研究.pdf

1、鈉鈣玻璃基于其優(yōu)異的光學、機械和化學等性能，已被廣泛應用于建筑、太陽能和超精密制造等領域。在鈉鈣玻璃的精密加工中，典型的精密拋光（如化學機械拋光）過程涉及玻璃表面復雜的機械化學去除問題。此外，風化磨損問題使得鈉鈣玻璃太陽能基板服役壽命僅為預期的30％，磨損問題使得建筑用鈉鈣玻璃表面服役壽命也僅為預期的30％。然而，目前國內(nèi)外關于鈉鈣玻璃表面磨損機理的研究較為缺乏。因此，為了全面深入理解鈉鈣玻璃磨損的行為與機理，亟需開展鈉鈣玻璃表面機械化

2、學磨損規(guī)律及機理等方面的研究。相關研究成果不僅有助于理解和調(diào)控鈉鈣玻璃表面在精密拋光過程中的去除行為，改善其在建筑和太陽能等領域服役過程中的抗磨損性能，而且有助于豐富微觀摩擦學的基礎理論體系。
　　本文主要針對鈉鈣玻璃表面損傷和材料去除的機械化學磨損問題，首先借助宏觀磨損設備，開展了Na+析出及其與H3O+的離子交換作用、對磨副表面活性對鈉鈣玻璃表面材料去除影響機制的研究。在此基礎上，借助原子力顯微鏡，揭示了鈉鈣玻璃表面材料在微觀

3、條件下的機械化學磨損的行為與機理。最后，基于上述理論研究結(jié)果，借助熱電場處理對鈉鈣玻璃表面Na+濃度分布的調(diào)控，開展了表面Na+濃度改變對鈉鈣玻璃摩擦學性能影響規(guī)律的研究。本論文通過系統(tǒng)地研究鈉鈣玻璃表面機械化學磨損的行為與機理，得出的主要結(jié)論和創(chuàng)新點如下:
　　(1)闡明了Na+析出及其與H3O+的離子交換作用對鈉鈣玻璃表面材料去除的影響機制。
　　在濕空氣中，鈉鈣玻璃表面的摩擦化學磨損隨著濕度的增加而減小。通過對比其他成

4、分玻璃表面的磨損規(guī)律發(fā)現(xiàn)，無析出性Na+的玻璃（熔融石英玻璃、AF45玻璃和BF33玻璃）基底的摩擦化學磨損隨環(huán)境濕度的增加而增大。通過鈉鈣玻璃在不同H3O+含量環(huán)境中的磨損規(guī)律發(fā)現(xiàn)，在濕空氣中，鈉鈣玻璃表面的磨損隨著濕度的增加而逐漸減小，在液下，鈉鈣玻璃表面的磨損隨著pH值的減小而減小。分析表明，鈉鈣玻璃表面在高濕度下磨損量的減小，主要歸因于表面Na+析出及其與環(huán)境中的H3O+發(fā)生離子交換造成了其表面壓應力的提高。
　　(2)揭

5、示了對磨副表面活性對鈉鈣玻璃表面機械化學磨損的影響規(guī)律和作用機制。
　　在干燥環(huán)境中，鈉鈣玻璃界面的磨損以機械磨損為主，并且會對鈉鈣玻璃基底造成深且粗糙的磨痕。然而，在潮濕空氣中，比鈉鈣玻璃硬度高的對磨副材料出現(xiàn)了磨損行為，而玻璃基底的損傷卻比較輕微，表明對磨副材料與鈉鈣玻璃的磨損以機械化學磨損為主。進一步的研究表明，對磨副表面活性對鈉鈣玻璃的磨損有很大影響。當對磨副與鈉鈣玻璃的化學性質(zhì)接近時，更容易誘發(fā)鈉鈣玻璃表面Na+析出及其

6、與H3O+的離子交換反應，從而使得玻璃表面出現(xiàn)較為劇烈的摩擦化學磨損。
　　(3)闡明了鈉鈣玻璃在微觀條件下的機械化學磨損的行為與機理，并建立了鈉鈣玻璃微觀磨損與宏觀磨損的內(nèi)在聯(lián)系。
　　通過調(diào)控環(huán)境濕度、載荷和對磨副等實驗工況，分別實現(xiàn)了鈉鈣玻璃在微觀條件下的機械磨損、應力腐蝕磨損和摩擦化學磨損。當鈉鈣玻璃與化學惰性的金剛石探針在惰性氣氛（真空）環(huán)境下進行微觀磨損實驗時，鈉鈣玻璃的磨損以機械磨損為主，鈉鈣玻璃在低載下的損傷

7、形式為凸起，隨著載荷的增加，表面的損傷形式轉(zhuǎn)變?yōu)闇喜?。當鈉鈣玻璃與化學惰性的金剛石探針在活性氣氛（大氣）環(huán)境下進行微觀磨損實驗時，鈉鈣玻璃的磨損以應力腐蝕為主。當鈉鈣玻璃與化學活性的二氧化硅探針在大氣環(huán)境下進行微觀磨損實驗時，鈉鈣玻璃的磨損以摩擦化學磨損為主，損傷特征為溝槽的形成。鈉鈣玻璃微觀磨損與宏觀磨損結(jié)果不同，不僅與宏觀磨損中的多點接觸模式有關，而且與界面磨屑的作用也密切相關。
　　(4)提出了通過改變鈉鈣玻璃表層Na+濃度

8、分布來調(diào)控其表面摩擦學性能的新方法。
　　經(jīng)過熱電場處理后，鈉鈣玻璃的陽極和陰極表面分別形成了Na+缺失和Na+梯度增加的表面層。當鈉鈣玻璃表層Na+的濃度降低時，表面的納米硬度和彈性模量降低，抗納米劃痕性能也降低，在潮濕空氣中的摩擦化學磨損隨著濕度的增加而增大。當鈉鈣玻璃表層Na+的濃度形成梯度增加時，表面的納米硬度、彈性模量和抗納米劃痕性能有輕微的增加，在潮濕空氣下的化學磨損能進一步被抑制。
　　綜上所述，本論文系統(tǒng)的開