滑动速度对磷酸盐激光玻璃摩擦磨损性能的影响

作为理想的能量增益介质，磷酸盐激光玻璃在高功率激光系统中得以广泛应用[1]. 为了尽量减少由玻璃表面缺陷造成的激光能量损耗[2]，高功率激光器中使用的激光玻璃需要实现近似无缺陷的表面加工质量[3]. 玻璃的表面加工方法通常分为磨削、研磨和抛光，而加工速度是这几种加工方法中的一个重要参数.不同的加工速度会影响光学玻璃的去除率、残余应力的分布[4]、表面和次表面的损伤程度[5]，并最终在一定程度上决定其表面加工质量[6]. 上述加工方法的本质是磨料在给定速度下与样品表面形成局部剪切摩擦从而产生材料去除[7]，因此运用摩擦学的手段探索速度对该玻璃材料去除和表面损伤的影响，有助于更全面地认识加工过程中抛光工具的运转速度在玻璃表面加工成型中的作用.

在国内外摩擦学的研究中，速度均被认为是影响材料摩擦磨损性能的一个重要因素，其影响机理根据不同的材料和环境而异. 对于金属材料而言，改变摩擦速度会改变其表面热能积累从而影响材料的磨损形式. 例如，李积武[8]在研究Ti-6Al-4V的磨损特性时发现，Ti-6Al-4V表面因速度增加而造成摩擦闪温增加，磨损形式由低速时的磨粒磨损转变为高速时的黏着磨损. 对于陶瓷材料而言，因其热导率较小，速度增高易使其局部热量过高，进而影响接触界面的摩擦化学反应[9]. 例如，Lee等[10]在研究湿度和速度对Si3N4的磨损特性的影响时发现，随着滑动速度增加，摩擦面的温升使材料表面的吸附水分子数量急剧减少，削弱了空气中水分子对Si3N4的摩擦化学反应，从而降低了磨损率. 对于半导体材料而言，Chen等[11–12]在纳米尺度下研究了摩擦速度对硅和砷化镓材料去除的影响.研究发现，高速时由于接触时间过短，界面键桥的生成较难，从而削弱了界面摩擦化学反应；而低速滑动时，界面键桥的生成和破坏更充分，材料表面的摩擦化学去除更强烈，因而产生更严重的磨损.

西方文明史是有产者的历史，是贫穷无产者的受压迫史与斗争史。古典时期的哲学家追求沉思的高贵生活与公共的善，既依赖又鄙视无产者，而近代商业文明宣扬财产权利的神圣性，鼓吹资本家剥削工人并镇压其反抗的合理性。直到19世纪，资本主义的严重危机冲击了西方文明的自信心，带来对西方文明的整体反思与批判，无产者的地位问题才得到真正重视。马克思立足于西方文明史，根据19世纪欧洲社会的工人运动与阶级斗争状况，积极提升无产者的历史地位，把长期遭贬斥的无产者转换为推动人类历史进程的进步力量即无产阶级，以共产主义为人类文明的最终追求，旨在使全世界无产者获得真正的解放。

目前，对于玻璃材料而言，速度对其摩擦磨损性能影响的相关研究还比较缺乏，现有研究多在阐述不同滑动速度下玻璃表面或次表面损伤形式的变化，但很少涉及其速度影响机制. 例如，Bandyopadhyay等[7]在研究滑动速度对钠钙硅玻璃的划痕损伤的影响时发现，玻璃的磨损量随速度增加而降低，但是相关机理却未被讨论. 磷酸盐玻璃主要由[PO4]四面体构成网络结构，导热性和耐水性较差[13]. 当磷酸盐玻璃在潮湿环境中遭受磨损时，滑动速度一方面会影响界面摩擦温升，另一方面会影响界面水分子吸附，从而影响玻璃的摩擦化学反应程度，进而影响材料去除效率.此外，由于玻璃属于脆性材料，在我们的前期研究中发现，随着载荷增加，磷酸盐玻璃的磨损形式会经历从磨粒磨损为主导到磨粒磨损和脆性剥落并存的转变过程[14]. 因此，不同载荷下玻璃表面磨损形态的改变，以及不同载荷下界面温升的变化，都将进一步影响不同速度下水分子在玻璃表面的吸附，最终对摩擦化学磨损程度造成影响，但是目前其中具体的影响机制还不清楚.

应用程序设计的基本过程是:选定采样频率为48 kHz,采集四路语音信号进行处理。然后再采用本文设计的基于LPC残差的广义互相关时延估计算法来估计时延,并对得出的结果进行平滑滤波得到最终时延。最后根据文章推导的几何关系进行声源定位。

为此，本研究中以氧化铝陶瓷球作为对摩副，在潮湿空气中，分别在低载(0.5 N)和高载(2 N)下，系统地研究了滑动速度对磷酸盐激光玻璃摩擦磨损性能的影响. 通过对不同速度下该玻璃的摩擦系数、磨痕形貌、磨损体积以及磨屑的化学成分进行对比分析，揭示了滑动速度对磷酸盐激光玻璃材料去除的影响机理.

1 试验部分

1.1 试验材料

由于在潮湿空气中水分子通常以毛细液桥的形式吸附在接触的粗糙峰之间，当低速摩擦情况下，水分子在接触界面的驻留时间较长，应力腐蚀更充分，有助于材料去除. 当高速摩擦时，接触的粗糙峰之间的相对运动较快，界面水桥难以形成且容易被破坏[23]，参与反应的水分子也随之减少，相应的摩擦化学磨损被削弱. 此外，在高速摩擦下，由于接触区的温度显著上升，界面吸附水膜更加难以形成[16]，这进一步减小了和玻璃反应的水分子数量，削弱了摩擦化学磨损.我们前期研究表明，在宏观高速(5 mm/s)磨损下，相对于干燥空气，潮湿环境中的水分子对该玻璃的材料去除的影响并不明显[24]，这印证了高速下水分子诱发的应力腐蚀较弱，不足以引起更严重的材料去除. 这种和滑动速度相关的界面吸附水桥对摩擦化学磨损的贡献在单晶硅和砷化镓的摩擦化学中也被证实[11–12].另一方面，不同速度下玻璃表面的磨损形态不同. 低速下由于磨痕的中心磨屑粘附较少，水分子更直接地吸附于玻璃本体的表面，因而和玻璃的摩擦化学反应更容易发生. 相反，在高速摩擦下，由于大量的磨屑粘附，水分子更多地吸附在这些粘附的磨屑上，而难以直接吸附在玻璃本体表面，从而进一步削弱了水分子与玻璃的摩擦化学反应，减小了磨损.

1.2 试验方法

试验前将玻璃和球样品用无水酒精和纯水洗净，并用干燥空气吹干待用. 所有的摩擦学试验均在一台往复式摩擦磨损试验机(MFT3000，Rtec，USA)上完成，试验载荷为0.5 N和2 N，循环次数为50次，位移为5 mm，速度分别设置为0.25、1、2 和8 mm/s. 摩擦磨损试验过程中的环境湿度和温度分别控制在55%±2%和22±2 ℃的范围内. 每种条件下的试验次数不低于5次，以确保结果的可靠性. 试验后通过光学显微镜(BX51-P，Olympus，Japan)对磨痕进行二维形貌表征；然后用白光干涉三维轮廓仪(Rtec，USA)对磨痕的三维形貌进行分析，并根据其横断面曲线估算样品的磨损体积；最后通过Raman光谱(InVia，Renishaw，England)对不同速度下玻璃磨损后产生的磨屑进行化学成分分析.

小学生写字姿势不正确，危害不小，轻者影响写字质量，养成不良书写习惯；重者影响生长发育、不利于身心健康。学生正处于生长发育的关键时期，以正确的坐姿和握笔姿势书写，不仅有利于书写的规范，也有利于学生的健康成长。为了让学生达到正确的书写姿势，可从以下方面努力去做：

1.1 实验主要试剂 Ficoll淋巴细胞分离液购自上海试剂二厂；CD1a-PE、CD80-PE、CD83-APC、CD86-PECY5、HLA-DR-APC单克隆抗体购自美国BD公司；RPMI1640培养基、胎牛血清购自美国Gibco公司；GM-CSF购自美国Peprototech公司；IL-4购自德国Meltenyi公司；二乙基亚硝胺水溶液购自美国Sigma公司；抗大鼠PE-CD4、PE-CD25、抗大鼠Foxp3单克隆抗体购自美国Ebioscinence公司。

2 结果与讨论

2.1 摩擦性能

以上结果表明滑动速度对磷酸盐激光玻璃的表面磨损形式以及材料去除量均产生了重要影响. 大量研究表明滑动速度的增加会造成接触面间局部温度升高，从而引发粗糙峰的局部软化或者在高温下诱发摩擦化学反应从而影响磨损[10, 15]. 公式(1)给出了由摩擦造成的粗糙峰局部温升的估算公式[16]：

  

Fig.1 Friction coefficient vs the number of cycles under various velocities (a), and the stable friction coefficient as a function of sliding velocity (b) in two loads conditions图1 高低载下不同速度的摩擦系数随循环次数的变化曲线(a)，以及稳定摩擦系数随滑动速度的变化曲线(b)

  

Fig.2 OM micrographs of wear tracks in phosphate laser glass under various sliding velocities in two loads conditions图2 两种载荷条件下的不同速度下磷酸盐激光玻璃表面磨痕的光学显微镜图像

2.2 磨损性能

摩擦磨损试验完成后，通过光学显微镜获得了玻璃表面磨痕的二维形貌，如图2所示. 在两种载荷条件下，滑动速度对玻璃表面磨损形貌的影响一致. 当低速滑动时(0.25 mm/s)，磨痕内部粘附的磨屑较少，大多数磨屑均堆积在磨痕的端部尽头处. 随着速度的增加，磨痕端处的磨屑开始减少，更多的磨屑粘附在磨痕的中心部位. 当滑动速度达到8 mm/s时，绝大多数磨屑粘附在磨痕的内部，使磨痕的颜色变深，而分布在磨痕端头的磨屑相对于0.25 mm/s的低速状态大幅度减少，且在高载下磨痕中心的磨屑粘附更为明显.以上结果说明，随着滑动速度的增加，磷酸盐玻璃的磨痕中心更容易粘附磨屑.

进一步采用白光干涉三维轮廓仪对玻璃表面的磨损区域进行形貌扫描，所得三维形貌如图3所示. 在不同的载荷下，滑动速度对磨痕三维形貌的影响均表现出近似的规律. 当磨痕未经过清洗时，在低速滑动状态下(0.25 mm/s和1 mm/s)玻璃表面的磨损区域能观察到清晰的沟槽；而当速度增加至8 mm/s时，磨损区域内并未发现明显的磨沟，相反，磨痕区域表现为一定程度的凸起现象，这与图2中所观察到的磨屑堆积现象一致. 随后，将试验后的样品表面用纯水洗净，随后再对同一位置进行形貌观测. 可以看出，清洗后高速磨损下的磨痕表面凸起现象全部消失，说明表面粘附的磨屑被清除，取而代之的是在磨损区域出现可见的凹槽. 随速度增加，清洗后的样品表面磨痕深度变浅，且磨痕宽度降低.

  

Fig.3 3D topographies of wear tracks of phosphate laser glass at various sliding velocities without clean and after cleaning under 0.5 and 2 N图3 0.5和2 N载荷下不同速度下的磷酸盐激光玻璃表面磨损区域清洗前后的三维形貌图

基本活动经验的提出，让一线教师必须重新整合教学，重新审视课堂，去寻找能让孩子们能有效获取数学活动经验的教学策略。按照新一轮课改的要求，从一线教学实际出发，学校为了尽快更新教师的教学理念，提高教师的业务水平，提升学校学生数学成绩。

为了精确地获得不同速度下玻璃表面的磨痕深度，通过图3所示的三维形貌得到玻璃表面磨痕清洗前后的横断面轮廓曲线，如图4所示. 可以看出，当滑动速度为0.25、1和2 mm/s时，0.5 N/2 N载荷条件下，未清洗的最大磨损深度分别为270 nm/320 nm、180 nm/210 nm和120 nm/100 nm；而当滑动速度为8 mm/s，它们的磨痕轮廓线分别表现为约120和200 nm的凸起现象. 清洗后的玻璃磨痕的深度较清洗前普遍加深，高速下磨痕的凸起的轮廓线变为下陷的曲线，如图4(b)所示. 随着速度从0.25 mm/s增至8 mm/s，在0.5 N/2 N载荷条件下，磨痕的深度从280 nm/360 nm降至70 nm/120 nm.

当拉应力或剪切应力作用在玻璃表面时，以上水解反应会被加剧，这通常被解释为玻璃的应力腐蚀现象[21]. 即在外应力的作用下，水分子和玻璃的主要网络结构P-O-P键的反应阈值将被大幅度降低，从而使得水分子更容易破坏P-O-P网络. 当玻璃在潮湿空气中进行往复摩擦时，由于剪切应力的持续作用，应力腐蚀会进一步促进材料去除. 我们前期在对磷酸盐玻璃的纳米尺度下的低速(8 μm/s)磨损研究中发现，在同等接触应力下潮湿环境中该玻璃的磨损深度远高于真空环境，说明界面吸附水膜对促进该玻璃的材料去除产生了重要贡献，接触界面间形成的毛细水桥在剪切应力的作用下通过应力腐蚀加速了对玻璃网络结构的破坏，促进了材料去除[22].

7月的暴雨过程(表4),高空槽东移,中低层有切变配合是最常见的天气系统配置,12次过程中有5次是这样的系统造成。

  

Fig.4 Cross-sectional profile lines of the wear tracks in phosphate laser glass at various sliding velocities without clean and after cleaning in two loads conditions图4 两种载荷条件下的不同速度下磷酸盐激光玻璃的磨痕在未清洗和清洗后的横断面轮廓曲线

  

Fig.5 The wear volume of phosphate laser glass as a function of sliding velocity under two loads图5 高低载下磷酸盐激光玻璃的磨损体积随滑动速度的变化曲线

2.3 磨损机理

图1所示为磷酸盐激光玻璃在高低载下不同滑动速度的摩擦系数随循环次数的变化曲线，以及达到稳定后的摩擦系数随速度的变化曲线. 如图1(a)所示，在所有条件下，随着循环次数的增加，摩擦系数均表现为先急剧增加而后达到稳定的趋势，相对于高载(2 N)而言，低载摩擦时(0.5 N)所有速度下的摩擦系数进入稳定阶段更慢，跑和阶段更长. 基于图1(a)，两种载荷下达到稳定后的摩擦系数与滑动速度的关系被绘制于图1(b)中. 在给定的速度范围内，低载下的摩擦系数比高载下更大，这和我们前期的研究结果一致[14]. 随着速度从0.25 mm/s增加到8 mm/s，两种载荷下稳定的摩擦系数均呈下降的趋势，尤其在低载下表现得更为明显.

 

其中：μ是摩擦系数，v是滑动速度，p是所加载荷，a为对摩面粗糙峰实际接触区的半径，k1和k2分别为两对摩副的导热系数. 由公式(1)可知，摩擦界面的局部温升与摩擦系数、滑动速度以及载荷均成正比关系.

在相同的载荷下，以低载荷0.5 N为例，接触峰在8 mm/s的速度下的温升是0.25 mm/s下的近25倍. 由于表面粗糙峰的实际接触半径a不能精确测量，因此不能得到准确的摩擦诱发的温升值. 但是通常经过常规抛光后的固体表面的粗糙峰的半径处于亚微米量级[17]，经过精密抛光后的固体表面粗糙峰的尺度处于纳米量级[18]. 如果假设本研究中粗糙峰的接触半径在约100 nm的尺度，那么当速度从0.25 mm/s增至8 mm/s，其局部温升将从约8.5 K增至约212 K. 而当载荷增至高载2 N时，根据公式(1)，在同样的假设粗糙峰半径下，当速度从0.25 mm/s增至8 mm/s，其局部温升将从约15.4 K大幅度增至约446.8 K，总温升是低载下的约2倍.

蓝色预警后应对上游流域巡查，黄色预警后在德胜口沟燕子口及七孔桥安排专人值守，一旦形成产汇流随时报告。七孔桥处水汇流入库后，用超声波流速仪每半小时测流一次，流量显著增大时加大测流频次。水库水位上涨时注意启用高水位自记水位计，保管好低水位时的自记水位计和成果。库水位每上升0.5 m报处防办一次，达汛限水位93 m后及时向水文总站发报。

不同于传统硅酸盐玻璃的铰链状网络结构，磷酸盐激光玻璃的原子结构多为层状网络结构，其化学稳定性较弱，其玻璃态转化温度仅为430 ℃(硅酸盐玻璃的玻璃态转化温度通常为600 ℃以上[19])，在高速摩擦下接触粗糙峰间的高温升极易达到该玻璃的玻璃态转化温度，造成粗糙峰软化引发黏着磨损. 图2～4中高速摩擦下磨痕表面严重的磨屑粘附现象进一步证明了由闪温诱导的黏着磨损的发生. 由于高载下更高的界面温升，因此这种由高温诱发的黏着磨损在高载下更容易发生，这表现为高载下磨痕中心粘附的磨屑比低载下更多且更稠密，如图2所示. 粘附的磨屑层在对摩副间作为第三体承载了部分机械应力，起到一定固体润滑的作用[14]，从而引起较低的磨损深度. 相反，在低速状态下，由于局部温升有限，黏着磨损不会发生，磨痕表面粘附的磨屑非常少，材料去除以磨粒磨损为主，因此，磨损深度较深且磨屑主要堆积在磨痕的端部.

此外，由于磷酸盐玻璃的耐水性差，当其静置于潮湿大气中，玻璃表面的吸附水会对其产生潮解(水解)，相关化学反应可以通过方程式(2)进行描述[20].

 

通过图4(b)所示的横断面轮廓曲线进一步估算出不同速度下玻璃样品的磨损体积，如图5所示. 在0.5 N/2 N载荷条件下，随着速度从0.25 mm/s增加到8 mm/s，玻璃表面的磨损体积从1.05×105 μm3/1.61×105 μm3急剧减小到0.16×105 μm3/0.40×105 μm3. 以上结果说明，在潮湿大气环境中，在不同的载荷下，速度对磷酸玻璃的材料去除的影响规律一致，随着速度的增加，该玻璃的磨损体积显著减小.

本研究中所用的玻璃材料是从中国科学院上海光学精密机械研究所购买的N31型磷酸盐钕玻璃，尺寸为9 mm×5 mm×2 mm. 该玻璃的主要化学成分为P2O5(50%～60%)， Al2O3(8%～12%)， K2O(10%～14%)，BaO(8%～12%)，Li2O(2%～3%)，Nd2O3(1%～3%). 其显微硬度为3.9 GPa，弹性模量为67.6 GPa. 对摩副选用直径为4 mm的Al2O3球，其显微硬度为18 GPa，弹性模量为380 GPa.

为了进一步证实不同速度下摩擦化学反应(水解/应力腐蚀)的差异，我们通过拉曼光谱分析了在高载2 N摩擦下，低速(0.25 mm/s)和高速(8 mm/s)磨损后磷酸盐激光玻璃表面磨屑的化学成分，并和原始表面进行比较. 如图6所示，三种情况下均在1 500 cm–1以前发现明显的特征峰，并且它们之间没有明显差别，这些特征峰代表的是磷酸盐玻璃自身的P-O-P网络结构[25–27]；但是在3 100 cm–1的峰值处出现了明显差别，此处为典型的OH伸缩振动峰[28–29]. 原始未磨损的表面在该处的强度非常弱；而高速摩擦磨损后其表面磨屑中该处的峰值有少许增强，说明其中的OH基团增加，增加的OH基团来自于P-O-P水解后产生的P-OH键，这表明在高速磨损时水解反应在一定程度下发生. 在低速磨损后其磨屑中3 100 cm–1峰的强度显著增加，说明磨屑中的P-OH基团大量增加，因此水解反应在低速磨损下更为剧烈，这进一步验证了在低速磨损下更充分的水解反应加剧了摩擦化学磨损，从而造成更大的磨损深度和磨损体积.

  

Fig.6 Raman spectra of the wear debris in phosphate laser glass at various velocities under 2 N图6 载荷为2 N条件下不同速度磨损后磷酸盐激光玻璃表面磨屑的拉曼光谱

无论低载和高载，随着速度的增加，磨损体积的变化趋势一致(如图5所示)，因此，上述滑动速度对磷酸盐玻璃磨损的影响机理对于目前试验条件下的高低载荷均适用. 但是由于不同载荷引发的温升不同，从而直接影响其界面水的吸附能力和摩擦化学反应程度，因此也将进一步对材料去除效率产生影响. 图7所示为两种载荷下，以最高滑动速度(8 mm/s)的磨损体积作为参考，不同速度下的磨损体积相对于速度为8 mm/s下磨损体积的增长率. 低载下(0.5 N)，随着速度从2 mm/s减小到0.25 mm/s，磷酸盐玻璃的磨损体积增长率相对于8 mm/s为2.70～6.68；而高载下(2 N)，这个磨损体积增长率仅为1.71～4.01. 以上分析表明不同速度下的体积增长率在低载磨损下均高于高载磨损，这说明速度对磨损体积的影响在低载荷下显得更为明显，因此，低速磨损中摩擦化学反应对材料去除的贡献更大. 由于高载磨损时，高速滑动所引起的界面摩擦温升更为显著，黏着磨损更为严重，且吸附水膜更难在接触界面间形成，从而不利于公式(2)中的水解反应的发生. 然而低载磨损时，在同样的滑动速度下，其界面温升仅为高载下的约1/2，水膜形成更容易；同时由于低载下磨痕中的粘附磨屑较少，更多的水分子能更充足地和玻璃本体发生摩擦化学反应，从而造成低载荷下，随着滑动速度减小，磨损体积的增加率相对于高载下更大.

  

Fig.7 The rate of increased wear volume of phosphate glass at various sliding velocities (data at 8 mm/s as reference) in two loads conditions图7 两种载荷下，不同速度下磷酸盐玻璃的磨损体积相对于速度为8 mm/s的磨损体积的增长率

3 结论

a. 随着滑动速度的增加，磷酸盐激光玻璃的摩擦系数略微降低，这种降低在低载下显得更为明显，且载荷越大，稳定摩擦系数越小.

b. 相对于低速磨损，高速磨损容易使磷酸盐激光玻璃的接触粗糙峰产生局部高温，磨屑更容易粘附在磨痕表面，黏着磨损更为显著. 载荷越大界面局部温升越大，黏着磨损更为显著.

c. 随着滑动速度增加，空气中的水分子在接触界面的驻留时间变短，吸附水膜更难形成，从而削弱了水分子诱发的摩擦化学反应，造成磷酸盐玻璃的磨损深度和体积减小. 低载下滑动速度对磷酸盐玻璃材料去除的影响更为明显，这归因于低载下，相对较低的摩擦温升更有利于界面水膜的稳定形成，从而加剧摩擦化学磨损.

参 考 文 献

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