基于田口方法研究风化对钢化玻璃抗冲蚀性能的影响

郝贠洪，吴日根，赵呈光，郭 鑫，雅茹罕

(1.内蒙古工业大学土木工程学院，呼和浩特 010051；2.内蒙古自治区土木工程结构与力学重点实验室，呼和浩特 010051； 3.内蒙古自治区建筑检测鉴定与安全评估工程技术研究中心，呼和浩特 010051)

0 引 言

内蒙古中西部地区位于中亚沙尘暴区中心地段，该地区内建筑的玻璃围护结构以及列车、汽车的挡风玻璃长期受风沙侵蚀[1-2]。在夏季及雨季地区气温及空气相对湿度大幅上升，玻璃材料与空气中的水接触并发生反应，材料表面发生破坏。长期暴露于大气中的钢化玻璃，在大气环境中不断老化的同时，还受到沙尘的长时间侵蚀，风化后钢化玻璃的抗冲蚀性能成为影响其安全性及使用性的重要因素。

学者们结合理论、实验及数值分析方法对钢化玻璃在风沙环境、大气环境下的损伤过程进行了研究，且在试验方法、损伤机理、评价指标等方面取得了较多进展[3-5]。现有文献对玻璃材料受风沙冲蚀或风化单因素侵蚀以及风沙冲蚀-温湿交变-紫外光辐照多因素侵蚀损伤的研究较多[6]，但对钢化玻璃在风沙冲蚀及风化双因素作用下的损伤研究较少[7]。

本文针对内蒙古中西部地区，风沙环境与大气环境下钢化玻璃的损伤进行研究。采用高低温交变湿热试验箱对钢化玻璃进行人工加速风化试验，采用扫描电子显微镜(SEM)及能谱仪(EDS)分析风化后钢化玻璃表面形貌及化学元素含量的变化情况，基于田口正交方法对冲蚀试验进行设计，对未风化及风化后的钢化玻璃进行冲蚀试验，研究冲蚀参数对钢化玻璃冲蚀率的影响规律，对比分析风化对钢化玻璃抗冲蚀性能的影响。研究成果可为内蒙古中西部地区钢化玻璃的使用及防护提供一定的理论依据。

1 实 验

1.1 原材料

玻璃试件尺寸为70 mm×70 mm×5 mm，由纳米压痕仪进行五点测量并取均值得到钢化玻璃性能参数,如表1所示。

表1 钢化玻璃性能参数Table 1 Property parameters of toughened glass

试验用沙取自内蒙古中西部的库布齐沙漠，硬度为6.75 GPa，密度为2.70 g/cm3。采用筛分法分析沙粒的粒径分布，结果如表2所示。由表2可知，沙粒粒径主要分布于0.05～0.25 mm之间，约占沙总量的88.66%。采用SEM观察沙粒形状，结果如图1所示。由图1可知，沙粒基本为椭圆形及圆形，只有少数为尖角粒子。

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

表2 沙粒粒径分布Table 2 Particle size distribution of sand

1.2 方法与设计

采用高低温交变湿热试验箱进行人工加速风化试验模拟钢化玻璃在大气环境下的长期损伤过程。国内目前尚无玻璃风化试验标准，根据对玻璃风化损伤的研究[8]采用恒温恒湿方法进行试验。该方法通过保持恒温恒湿状态,保证钢化玻璃在短时间发生风化反应，试验箱内主要影响因素为温度及湿度。玻璃的风化程度随温度及湿度的增加而增大，为加速风化同时结合地区环境特征，选定温度为50 ℃，相对湿度为75%，风化时间为30 d，采用SEM和EDS分析风化后钢化玻璃表面形貌及化学元素含量的变化情况。

田口方法是一种稳健性优化设计方法，其采用误差因素模拟造成产品质量波动的干扰因素，通过对试验方案的统计分析找出性能最稳定的设计方案，同时得到各因素对试验结果的影响程度[9-10]。采用田口方法对冲蚀试验进行设计，研究过程选取的控制因素包括冲蚀角度、冲蚀速度及沙流量，选定冲蚀角度为15°、45°、60°、90°，冲蚀速度为20 m/s、25 m/s、30 m/s、35 m/s，沙流量为15 g/min、25 g/min、35 g/min、45 g/min，采用L16(43)正交试验组合，试验冲蚀时间为15 min。通过气流携沙喷射法对未风化及风化后的钢化玻璃进行冲蚀试验,模拟风沙对玻璃材料的长期侵蚀过程，试验系统原理示意图如图2所示，由图可知，该系统由高压气源、供沙系统、冲蚀系统和沙粒回收系统构成。

图2 模拟风沙环境侵蚀实验系统原理示意图Fig.2 Schematic diagram of erosion experiment system

采用冲蚀率评价钢化玻璃冲蚀磨损程度，以钢化玻璃冲蚀前后的质量损失与冲蚀用沙粒质量的比值来评价其损伤程度，冲蚀率α公式如下：

α=(m1-m2)/mst

(1)

式中：m1为试件冲蚀前质量,mg；m2为试件冲蚀后质量,mg；ms为沙流量,g/min；t为冲蚀时间,min。

2 结果与讨论

2.1 钢化玻璃风化试验

钢化玻璃经高低温交变湿热试验箱风化前后的SEM照片如图3所示。由图3(a)可知，未风化的钢化玻璃表面光洁平整，无明显刮痕。由图3(b)可知，钢化玻璃在湿热环境中发生风化，风化产物分布于材料表面不平整区域内，这是风化生成的SiO2水化物富集层粘附于材料表面，风化严重区域可见风化产物于材料表面堆积成团鼓起，材料表面粗糙度增大。

图3 风化前后钢化玻璃SEM照片Fig.3 SEM images of unweathered and weathered toughened glass

采用EDS对钢化玻璃表面风化产物进行成分分析，得到各元素含量如表3所示。由表3可知，相较于风化产物边缘，风化产物中心处O、Na元素含量增多，Si元素含量减少，Mg、Ca元素含量变化较小。表明钢化玻璃在高温高湿环境中风化，Na+主要和表面吸附水中H+发生交换，形成的风化产物主要是钠盐，玻璃表面的风化薄膜为材料脱碱形成的高硅层。

表3 风化产物化学元素含量Table 3 Chemical elements content of weathering product

钢化玻璃在潮湿环境中风化，主要是由于玻璃表面易吸附水分子[11]，当表面吸附的水膜足够厚时，钢化玻璃表面的碱金属离子与吸附水中的H+或H3O+进行离子交换，反应见式(2)、式(3)。由于H+的半径远小于碱金属离子，钢化玻璃的表面结构变得疏松。随着钢化玻璃表面侵蚀逐渐严重，析碱量增加，表面形成富硅层，破坏方式从最开始H+和H3O+对玻璃的侵蚀逐渐演变为碱对钢化玻璃的溶蚀，反应见式(4)，生成的一端断裂的≡Si-O-与水分子反应，反应见式(5)[12]。离子交换使表面区域键强度降低，Na+析出使材料表面产生张应力[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)

材料受风沙环境侵蚀其实质为表面材料的冲蚀磨损过程，具有其自身特性。风化后钢化玻璃表面粗糙度增加，硬度及致密度降低，其抗冲蚀性能较未风化钢化玻璃发生改变。

2.2 钢化玻璃冲蚀试验

在田口方法中，采用信噪比(S/N)衡量指标波动以评价产品质量特性，静态质量特性有以下三类：(1)望目特性，特性围绕目标值波动；(2)望小特性，特性越小越好；(3)望大特性，特性越大越好。本研究为寻找最大冲蚀率，选择望大特性进行分析，望大特性信噪比公式如下：

(6)

式中：n为试验重复次数；Yi为试验因变量，即冲蚀率。

采用式(1)、式(6)计算32组试验钢化玻璃的冲蚀率及冲蚀率信噪比，计算结果如表4所示。由表4可知，风化时间0 d、冲蚀角度90°、冲蚀速度35 m/s、沙流量15 g/min时钢化玻璃冲蚀率信噪比最大。信噪比的大小反映出试验因素的稳定性，信噪比越大表明因素在试验过程中越稳定。根据试验因素的信噪比部分可知，信噪比随冲蚀角度和冲蚀速度增加而增大，随沙流量增大在一定范围内波动，即冲蚀角度和冲蚀速度越大，冲蚀率越稳定。

表4 L16(43)正交表和未风化及风化后钢化玻璃的冲蚀率及冲蚀率信噪比Table 4 L16(43) orthogonal table, erosion rate and S/N ratio of unweathered and weathered toughened glass

对冲蚀率信噪比进行方差分析，得到各因素对钢化玻璃冲蚀率信噪比贡献率如表5所示。由表5可知，风化后冲蚀角度对钢化玻璃信噪比的贡献率较未风化时减少5.8%，冲蚀速度对信噪比的贡献率增大7.2%，沙流量对钢化玻璃冲蚀率信噪比的贡献率在风化前后差异较小。对信噪比进行极差分析可知，各因素对未风化及风化后钢化玻璃冲蚀率的影响程度由大到小均为冲蚀角度、冲蚀速度、沙流量。根据各因素对冲蚀率信噪比的贡献率选择冲蚀角度和冲蚀速度两个因素，进一步研究风化对钢化玻璃冲蚀规律的影响。

表5 风化前后各因素对钢化玻璃冲蚀率信噪比贡献率Table 5 Contribution rate of influence factors to S/N ratio of unweathered and weathered toughened glass

图4为冲蚀角度及冲蚀速度的信噪比主效应曲线。由图4(a)可知，未风化及风化后信噪比均值随冲蚀角度的增加而增大，冲蚀角度为90°时取得最大值，符合典型的脆性材料冲蚀规律[14]。低冲蚀角度时材料的质量损失主要由沙粒的微切削作用引起，硬度为决定材料耐冲蚀性能的主要因素。风化后钢化玻璃表面硬度降低，受沙粒微切削作用影响增强，其信噪比均值较未风化时增大。高冲蚀角度时材料的质量损失主要由裂纹叠加造成，风化后生成的SiO2水化物粘附于钢化玻璃表面，部分由裂纹延伸产生的材料碎片由于未水化层与水化层间的粘结力粘附于材料表面，钢化玻璃受裂纹叠加作用影响减小，其信噪比均值较未风化时减小。由图4(b)可知，未风化及风化后信噪比均值均随冲蚀速度的增加而增大，冲蚀速度各水平下风化后信噪比均值均略大于风化前。随着冲蚀速度增加，沙粒的动能增大，由沙粒动能转换的应变能增大，钢化玻璃的冲蚀率增大，信噪比均值相应增大。风化后钢化玻璃表面硬度及致密度降低，对冲蚀速度的敏感性提高，故其信噪比均值在冲蚀速度各水平下较未风化时增大。

图4 不同冲蚀角度及冲蚀速度下信噪比主效应曲线Fig.4 Main effect curves of S/N ratio under different impact angle and impact velocity

冲蚀速度30 m/s、沙流量60 g/min、冲蚀角度15°和90°下未风化及风化后钢化玻璃表面冲蚀SEM照片如图5、图6所示。低冲蚀角度下钢化玻璃的冲蚀损伤形貌主要为沙粒微切削作用造成的犁沟;高冲蚀角度下钢化玻璃的冲蚀损伤形貌主要为由裂纹叠加导致碎片剥离材料表面产生的脆性断裂凹坑。图5(b)中犁沟数量及尺寸较图5(a)中增加，即风化后钢化玻璃受沙粒微切削作用影响增大；与图6(a)相比，图6(b)中可见部分材料碎片粘附于材料表面，即风化后钢化玻璃受裂纹叠加作用影响减小。

图5 冲蚀角度15°下钢化玻璃风化前后冲蚀损伤SEM照片Fig.5 SEM images of unweathered and weathered toughened glass at 15° impact angle

图6 冲蚀角度90°下钢化玻璃风化前后冲蚀损伤SEM照片Fig.6 SEM images of unweathered and weathered toughened glass at 90° impact angle

3 结 论

(1)风化后钢化玻璃表面粗糙度增大，可见风化产物堆积成团鼓起，风化产物主要为钠盐，玻璃表面的风化薄膜为材料脱碱形成的富硅层。钢化玻璃在风化后表面性质发生改变，其抗冲蚀性能受影响。

(2)未风化及风化后各因素对钢化玻璃冲蚀率的影响程度从大到小为冲蚀角度、冲蚀速度、沙流量。风化后冲蚀角度对钢化玻璃冲蚀率信噪比的贡献率较未风化时减少5.8%，冲蚀速度对信噪比的贡献率在风化后增大7.2%，沙流量对钢化玻璃冲蚀率信噪比的贡献率在风化前后差异较小。

(3)未风化及风化后信噪比均值均随冲蚀角度的增加而增大，冲蚀角度为90°时取得最大值，符合典型的脆性材料冲蚀规律。低冲蚀角度时材料的质量损失主要由沙粒的微切削作用引起，风化后钢化玻璃表面硬度降低，受沙粒切削作用影响增强，其信噪比均值较未风化时增大，材料表面犁沟数量及尺寸较未风化时增加；高冲蚀角度时材料的质量损失主要由裂纹叠加造成，风化后部分材料碎片粘附于材料表面，钢化玻璃受裂纹叠加作用影响减小，其信噪比均值较未风化时减小。

(4)未风化及风化后信噪比均值均随冲蚀速度的增加而增大，风化后钢化玻璃表面硬度及致密度降低，材料对冲蚀速度的敏感性提高，冲蚀速度各水平下信噪比均值较未风化时增大。