基于田口方法研究風化對鋼化玻璃抗沖蝕性能的影響

郝贠洪，吳日根，趙呈光，郭 鑫，雅茹罕

(1.內蒙古工業大學土木工程學院，呼和浩特 010051；2.內蒙古自治區土木工程結構與力學重點實驗室，呼和浩特 010051； 3.內蒙古自治區建筑檢測鑒定與安全評估工程技術研究中心，呼和浩特 010051)

0 引 言

內蒙古中西部地區位于中亞沙塵暴區中心地段，該地區內建筑的玻璃圍護結構以及列車、汽車的擋風玻璃長期受風沙侵蝕[1-2]。在夏季及雨季地區氣溫及空氣相對濕度大幅上升，玻璃材料與空氣中的水接觸并發生反應，材料表面發生破壞。長期暴露于大氣中的鋼化玻璃，在大氣環境中不斷老化的同時，還受到沙塵的長時間侵蝕，風化后鋼化玻璃的抗沖蝕性能成為影響其安全性及使用性的重要因素。

學者們結合理論、實驗及數值分析方法對鋼化玻璃在風沙環境、大氣環境下的損傷過程進行了研究，且在試驗方法、損傷機理、評價指標等方面取得了較多進展[3-5]。現有文獻對玻璃材料受風沙沖蝕或風化單因素侵蝕以及風沙沖蝕-溫濕交變-紫外光輻照多因素侵蝕損傷的研究較多[6]，但對鋼化玻璃在風沙沖蝕及風化雙因素作用下的損傷研究較少[7]。

本文針對內蒙古中西部地區，風沙環境與大氣環境下鋼化玻璃的損傷進行研究。采用高低溫交變濕熱試驗箱對鋼化玻璃進行人工加速風化試驗，采用掃描電子顯微鏡(SEM)及能譜儀(EDS)分析風化后鋼化玻璃表面形貌及化學元素含量的變化情況，基于田口正交方法對沖蝕試驗進行設計，對未風化及風化后的鋼化玻璃進行沖蝕試驗，研究沖蝕參數對鋼化玻璃沖蝕率的影響規律，對比分析風化對鋼化玻璃抗沖蝕性能的影響。研究成果可為內蒙古中西部地區鋼化玻璃的使用及防護提供一定的理論依據。

1 實 驗

1.1 原材料

玻璃試件尺寸為70 mm×70 mm×5 mm，由納米壓痕儀進行五點測量并取均值得到鋼化玻璃性能參數,如表1所示。

表1 鋼化玻璃性能參數Table 1 Property parameters of toughened glass

試驗用沙取自內蒙古中西部的庫布齊沙漠，硬度為6.75 GPa，密度為2.70 g/cm3。采用篩分法分析沙粒的粒徑分布，結果如表2所示。由表2可知，沙粒粒徑主要分布于0.05～0.25 mm之間，約占沙總量的88.66%。采用SEM觀察沙粒形狀，結果如圖1所示。由圖1可知，沙粒基本為橢圓形及圓形，只有少數為尖角粒子。

圖1 沙粒SEM照片Fig.1 SEM image of sand particles

表2 沙粒粒徑分布Table 2 Particle size distribution of sand

1.2 方法與設計

采用高低溫交變濕熱試驗箱進行人工加速風化試驗模擬鋼化玻璃在大氣環境下的長期損傷過程。國內目前尚無玻璃風化試驗標準，根據對玻璃風化損傷的研究[8]采用恒溫恒濕方法進行試驗。該方法通過保持恒溫恒濕狀態,保證鋼化玻璃在短時間發生風化反應，試驗箱內主要影響因素為溫度及濕度。玻璃的風化程度隨溫度及濕度的增加而增大，為加速風化同時結合地區環境特征，選定溫度為50 ℃，相對濕度為75%，風化時間為30 d，采用SEM和EDS分析風化后鋼化玻璃表面形貌及化學元素含量的變化情況。

田口方法是一種穩健性優化設計方法，其采用誤差因素模擬造成產品質量波動的干擾因素，通過對試驗方案的統計分析找出性能最穩定的設計方案，同時得到各因素對試驗結果的影響程度[9-10]。采用田口方法對沖蝕試驗進行設計，研究過程選取的控制因素包括沖蝕角度、沖蝕速度及沙流量，選定沖蝕角度為15°、45°、60°、90°，沖蝕速度為20 m/s、25 m/s、30 m/s、35 m/s，沙流量為15 g/min、25 g/min、35 g/min、45 g/min，采用L16(43)正交試驗組合，試驗沖蝕時間為15 min。通過氣流攜沙噴射法對未風化及風化后的鋼化玻璃進行沖蝕試驗,模擬風沙對玻璃材料的長期侵蝕過程，試驗系統原理示意圖如圖2所示，由圖可知，該系統由高壓氣源、供沙系統、沖蝕系統和沙粒回收系統構成。

圖2 模擬風沙環境侵蝕實驗系統原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of erosion experiment system

采用沖蝕率評價鋼化玻璃沖蝕磨損程度，以鋼化玻璃沖蝕前后的質量損失與沖蝕用沙粒質量的比值來評價其損傷程度，沖蝕率α公式如下：

α=(m1-m2)/mst

(1)

式中：m1為試件沖蝕前質量,mg；m2為試件沖蝕后質量,mg；ms為沙流量,g/min；t為沖蝕時間,min。

2 結果與討論

2.1 鋼化玻璃風化試驗

鋼化玻璃經高低溫交變濕熱試驗箱風化前后的SEM照片如圖3所示。由圖3(a)可知，未風化的鋼化玻璃表面光潔平整，無明顯刮痕。由圖3(b)可知，鋼化玻璃在濕熱環境中發生風化，風化產物分布于材料表面不平整區域內，這是風化生成的SiO2水化物富集層粘附于材料表面，風化嚴重區域可見風化產物于材料表面堆積成團鼓起，材料表面粗糙度增大。

圖3 風化前后鋼化玻璃SEM照片Fig.3 SEM images of unweathered and weathered toughened glass

采用EDS對鋼化玻璃表面風化產物進行成分分析，得到各元素含量如表3所示。由表3可知，相較于風化產物邊緣，風化產物中心處O、Na元素含量增多，Si元素含量減少，Mg、Ca元素含量變化較小。表明鋼化玻璃在高溫高濕環境中風化，Na+主要和表面吸附水中H+發生交換，形成的風化產物主要是鈉鹽，玻璃表面的風化薄膜為材料脫堿形成的高硅層。

表3 風化產物化學元素含量Table 3 Chemical elements content of weathering product

鋼化玻璃在潮濕環境中風化，主要是由于玻璃表面易吸附水分子[11]，當表面吸附的水膜足夠厚時，鋼化玻璃表面的堿金屬離子與吸附水中的H+或H3O+進行離子交換，反應見式(2)、式(3)。由于H+的半徑遠小于堿金屬離子，鋼化玻璃的表面結構變得疏松。隨著鋼化玻璃表面侵蝕逐漸嚴重，析堿量增加，表面形成富硅層，破壞方式從最開始H+和H3O+對玻璃的侵蝕逐漸演變為堿對鋼化玻璃的溶蝕，反應見式(4)，生成的一端斷裂的≡Si-O-與水分子反應，反應見式(5)[12]。離子交換使表面區域鍵強度降低，Na+析出使材料表面產生張應力[13]，材料表面硬度及致密度降低。

≡Si-O-Na+H2O→Si-OH+NaOH

(2)

≡Si-O-Na+2H2O→Si-O-H2O+NaOH

(3)

≡Si-O-Si+OH-→≡SiOH+≡Si-O-

(4)

≡Si-O-+H2O→≡SiOH+OH-

(5)

材料受風沙環境侵蝕其實質為表面材料的沖蝕磨損過程，具有其自身特性。風化后鋼化玻璃表面粗糙度增加，硬度及致密度降低，其抗沖蝕性能較未風化鋼化玻璃發生改變。

2.2 鋼化玻璃沖蝕試驗

在田口方法中，采用信噪比(S/N)衡量指標波動以評價產品質量特性，靜態質量特性有以下三類：(1)望目特性，特性圍繞目標值波動；(2)望小特性，特性越小越好；(3)望大特性，特性越大越好。本研究為尋找最大沖蝕率，選擇望大特性進行分析，望大特性信噪比公式如下：

(6)

式中：n為試驗重復次數；Yi為試驗因變量，即沖蝕率。

采用式(1)、式(6)計算32組試驗鋼化玻璃的沖蝕率及沖蝕率信噪比，計算結果如表4所示。由表4可知，風化時間0 d、沖蝕角度90°、沖蝕速度35 m/s、沙流量15 g/min時鋼化玻璃沖蝕率信噪比最大。信噪比的大小反映出試驗因素的穩定性，信噪比越大表明因素在試驗過程中越穩定。根據試驗因素的信噪比部分可知，信噪比隨沖蝕角度和沖蝕速度增加而增大，隨沙流量增大在一定范圍內波動，即沖蝕角度和沖蝕速度越大，沖蝕率越穩定。

表4 L16(43)正交表和未風化及風化后鋼化玻璃的沖蝕率及沖蝕率信噪比Table 4 L16(43) orthogonal table, erosion rate and S/N ratio of unweathered and weathered toughened glass

對沖蝕率信噪比進行方差分析，得到各因素對鋼化玻璃沖蝕率信噪比貢獻率如表5所示。由表5可知，風化后沖蝕角度對鋼化玻璃信噪比的貢獻率較未風化時減少5.8%，沖蝕速度對信噪比的貢獻率增大7.2%，沙流量對鋼化玻璃沖蝕率信噪比的貢獻率在風化前后差異較小。對信噪比進行極差分析可知，各因素對未風化及風化后鋼化玻璃沖蝕率的影響程度由大到小均為沖蝕角度、沖蝕速度、沙流量。根據各因素對沖蝕率信噪比的貢獻率選擇沖蝕角度和沖蝕速度兩個因素，進一步研究風化對鋼化玻璃沖蝕規律的影響。

表5 風化前后各因素對鋼化玻璃沖蝕率信噪比貢獻率Table 5 Contribution rate of influence factors to S/N ratio of unweathered and weathered toughened glass

圖4為沖蝕角度及沖蝕速度的信噪比主效應曲線。由圖4(a)可知，未風化及風化后信噪比均值隨沖蝕角度的增加而增大，沖蝕角度為90°時取得最大值，符合典型的脆性材料沖蝕規律[14]。低沖蝕角度時材料的質量損失主要由沙粒的微切削作用引起，硬度為決定材料耐沖蝕性能的主要因素。風化后鋼化玻璃表面硬度降低，受沙粒微切削作用影響增強，其信噪比均值較未風化時增大。高沖蝕角度時材料的質量損失主要由裂紋疊加造成，風化后生成的SiO2水化物粘附于鋼化玻璃表面，部分由裂紋延伸產生的材料碎片由于未水化層與水化層間的粘結力粘附于材料表面，鋼化玻璃受裂紋疊加作用影響減小，其信噪比均值較未風化時減小。由圖4(b)可知，未風化及風化后信噪比均值均隨沖蝕速度的增加而增大，沖蝕速度各水平下風化后信噪比均值均略大于風化前。隨著沖蝕速度增加，沙粒的動能增大，由沙粒動能轉換的應變能增大，鋼化玻璃的沖蝕率增大，信噪比均值相應增大。風化后鋼化玻璃表面硬度及致密度降低，對沖蝕速度的敏感性提高，故其信噪比均值在沖蝕速度各水平下較未風化時增大。

圖4 不同沖蝕角度及沖蝕速度下信噪比主效應曲線Fig.4 Main effect curves of S/N ratio under different impact angle and impact velocity

沖蝕速度30 m/s、沙流量60 g/min、沖蝕角度15°和90°下未風化及風化后鋼化玻璃表面沖蝕SEM照片如圖5、圖6所示。低沖蝕角度下鋼化玻璃的沖蝕損傷形貌主要為沙粒微切削作用造成的犁溝;高沖蝕角度下鋼化玻璃的沖蝕損傷形貌主要為由裂紋疊加導致碎片剝離材料表面產生的脆性斷裂凹坑。圖5(b)中犁溝數量及尺寸較圖5(a)中增加，即風化后鋼化玻璃受沙粒微切削作用影響增大；與圖6(a)相比，圖6(b)中可見部分材料碎片粘附于材料表面，即風化后鋼化玻璃受裂紋疊加作用影響減小。

圖5 沖蝕角度15°下鋼化玻璃風化前后沖蝕損傷SEM照片Fig.5 SEM images of unweathered and weathered toughened glass at 15° impact angle

圖6 沖蝕角度90°下鋼化玻璃風化前后沖蝕損傷SEM照片Fig.6 SEM images of unweathered and weathered toughened glass at 90° impact angle

3 結 論

(1)風化后鋼化玻璃表面粗糙度增大，可見風化產物堆積成團鼓起，風化產物主要為鈉鹽，玻璃表面的風化薄膜為材料脫堿形成的富硅層。鋼化玻璃在風化后表面性質發生改變，其抗沖蝕性能受影響。

(2)未風化及風化后各因素對鋼化玻璃沖蝕率的影響程度從大到小為沖蝕角度、沖蝕速度、沙流量。風化后沖蝕角度對鋼化玻璃沖蝕率信噪比的貢獻率較未風化時減少5.8%，沖蝕速度對信噪比的貢獻率在風化后增大7.2%，沙流量對鋼化玻璃沖蝕率信噪比的貢獻率在風化前后差異較小。

(3)未風化及風化后信噪比均值均隨沖蝕角度的增加而增大，沖蝕角度為90°時取得最大值，符合典型的脆性材料沖蝕規律。低沖蝕角度時材料的質量損失主要由沙粒的微切削作用引起，風化后鋼化玻璃表面硬度降低，受沙粒切削作用影響增強，其信噪比均值較未風化時增大，材料表面犁溝數量及尺寸較未風化時增加；高沖蝕角度時材料的質量損失主要由裂紋疊加造成，風化后部分材料碎片粘附于材料表面，鋼化玻璃受裂紋疊加作用影響減小，其信噪比均值較未風化時減小。

(4)未風化及風化后信噪比均值均隨沖蝕速度的增加而增大，風化后鋼化玻璃表面硬度及致密度降低，材料對沖蝕速度的敏感性提高，沖蝕速度各水平下信噪比均值較未風化時增大。