Аннотация: При изучении древней керамики большое значение имеют измерение и анализ химического состава как поверхности, так и элементов интерьера. Эти результаты могут дать представление о происхождении керамики, типах используемого сырья, эволюции методов обжига и производственных площадок.

Лазерно-индуцированная спектроскопия разрушения (LIBS) анализ поверхностного и глубинного распределения состава металлических и керамических изделий

Из-за влияния внешних факторов окружающей среды и присущих конструкционных дефектов бронзовые артефакты демонстрируют разную степень коррозии. Морфология ржавчины и связанные с ней продукты на поверхности бронзовых артефактов могут частично отражать принципы и процессы коррозии. Для эффективного восстановления и сохранения бронзовых артефактов важно исследовать механизмы коррозии как на их поверхности, так и внутри. Это понимание способствует принятию правильных и эффективных защитных мер.

При изучении древней керамики крайне важно измерять и анализировать химический состав как поверхностных, так и внутренних элементов. Эти результаты могут дать представление о происхождении керамики, типах используемого сырья, эволюции методов обжига и местах производства.

01 Экспериментальный контент

По сравнению с другими методами спектроскопического анализа, такими как рентгеновская флуоресцентная спектрометрия (РФА), оптическая эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ICP-OES) и масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ICP-MS), оборудование LIBS имеет три основных преимущества:

1 、 Открытая камера для проб: оборудование LIBS имеет камеру для открытых проб, что позволяет размещать более крупные образцы непосредственно для анализа на месте. Он не предъявляет никаких требований к форме, свойствам или плоскостности образца, устраняя необходимость в сложных и трудоемких процессах подготовки образцов.

Минимальное повреждение лазерными импульсами: непрерывные лазерные импульсы могут быть применены к одной и той же точке для получения информации о распределении поверхностных и глубинных элементов с минимальным повреждением.

3 、 Обнаружение всех элементов: LIBS может обнаружить все элементы в периодической таблице, включая более легкие элементы, такие как H, Li и B.

Рисунок 1: Физические изображения бронзовых артефактов и керамических кирпичей

Рисунок 2: Структура системы LIBS (a) Схематическая диаграмма и (b) Физическое изображение

02 Экспериментальные результаты

В экспериментах с бронзовыми артефактами на каждом образце бронзы для спектрального тестирования LIBS были выбраны три точки. На рисунке 3 (цветная версия доступна в электронном издании журнала) показаны спектры распределения поверхности и глубины элементов для бронзы1. На рисунке 3 (а) использованная одноимпульсная энергия лазера составила 26,2 мДж, а каждая спектральная точка представляет собой накопление 10 лазерных импульсов.

Рисунок 3: Спектры LIBS различных положений на бронзе1

Наличие таких элементов, как Fe, Si, Na, Mg и Al, указывает на то, что среда песка и почвы играет роль в формировании коррозионного слоя на поверхности бронзовых артефактов. При непрерывном импульсном возбуждении элемент Zn можно наблюдать на бронзовом артефакте. Однако он существует только в коррозионном слое, а не в самой подложке. Дальнейшее наблюдение за спектральными результатами показывает, что поверхность бронза2 содержит обильные редкоземельные элементы. Присутствие этих редкоземельных элементов имеет тенденцию образовывать защитную оксидную пленку, предотвращая дальнейшее окисление и коррозию. Во время процесса постепенной абляции лазером большинство редкоземельных элементов исчезают, предполагая, что элементный состав подложки относительно прост, а сложность состава поверхности возникает из-за элементов в коррозионном слое.

Рисунок 4: Спектры LIBS различных положений на бронзе2

Таблица 1: Элементарные результаты распределения поверхности и глубины бронзы2

Для керамических образцов, поскольку их поверхности относительно плоские, средняя глубина эрозии трех образцов керамической плитки была впервые проверена с помощью конфокального микроскопа. Средняя глубина эрозии на импульс для CZ-14 составляла 0,84 мкм, для CZ-01 средняя глубина эрозии белой части составляла 1,66 мкм, а зеленой - 1,57 мкм. Для CZ-02 средняя глубина эрозии белой части составляла 1,07 мкм, а синей - 1,29 мкм. Морфология образцов керамической плитки после абляции импульсным лазером показана на рисунке 6 (цветная версия доступна в электронном издании журнала).

Таблица 2: Средняя глубина эрозии образцов керамической плитки в разных положениях

Рисунок 5: Конфокальная микроскопия Глубина эрозии Морфология образцов керамической плитки

Рисунок 6: Спектры вариации B-элемента с числом импульсов

Когда количество лазерных импульсов для белой части составляет 40 или 41, изменение элементного состава указывает на то, что лазер достиг границы раздела между двумя разными слоями. Предполагаемая толщина этого слоя составляет примерно 67 мкм. По мере того, как количество лазерных импульсов продолжает увеличиваться, элементный состав остается неизменным. Однако, когда количество импульсов достигает около 2000, отношение сигнал / шум системы ухудшается, что затрудняет различение элементов. Для зеленой части, когда количество лазерных импульсов составляет 25 или 26, изменение элемента B предполагает, что лазер достиг границы раздела между двумя разными слоями. Тенденция этого изменения показана на рисунке 9 (цветная версия доступна в электронном издании журнала). Исходя из этого, предполагаемая толщина слоя составляет примерно 40 мкм.

03 Экспериментальное заключение

Лазерно-индуцированная спектроскопия разрушения (LIBS) использовалась для изучения распределения поверхности и глубины компонентов бронзовых артефактов, обнаруженных в гробницах Гочжуан Чу в Шанцае, провинция Хэнань, и керамической плитки из павильона Линчжао Музея Запретного города. Преимущества технологии LIBS заключаются в минимальных требованиях к образцам, отсутствии необходимости предварительной обработки образцов, способности одновременно измерять несколько элементов, а также в ее скорости и точности. Кроме того, лазер обеспечивает определенную глубину абляции, что позволяет проводить послойный анализ без необходимости встраивания образца. Микроскопический структурный анализ показал, что оба типа образцов артефактов имеют слоистую структуру. Элементарный анализ поверхности и распределение по глубине помогают понять механизмы коррозии поверхностных слоев бронзовых артефактов, что обеспечивает научные методы их защиты.

Рекомендация:

Применение лазерно-индуцированной спектроскопии разрушения (LIBS) в металлургии низкоуглеродистой стали

Система LIBS использует ультракороткие лазерные импульсы для фокусировки на поверхности образца, образуя плазму. Излучаемый свет плазмы анализируется с помощью спектрометра, определяющего элементный состав образца. Эта технология позволяет идентифицировать, классифицировать, а также проводить качественный и количественный анализ материалов, что делает его очень подходящим для применения в металлургии низкоуглеродистой стали. LIBS предлагает точное обнаружение и анализ составов сплавов в режиме реального времени, помогая оптимизировать производственные процессы, улучшать качество материалов и обеспечивать соблюдение экологических стандартов при производстве стали.