激光清洗技术在青铜器除锈中的应用_胡雨婷

65激光清洗技术在青铜器除锈中的应用北京科技大学胡雨婷秦伯豪一、激光清洗技术简介1.激光清洗技术的作用机理激光的英文名称是LASER，全称为LightAmplificationbyStimulationofEmittedRadiation。激光是一种特殊的光，由受激辐射而产生，最基本的三大特性为单色性、相干性和方向性。激光光束的发散角很小，方向性好，通过聚光系统可以使激光束聚集成不同大小的光斑直径，在激光能量相同的条件下，不同光斑的激光束，所产生的能量密度或功率密度不同，这样就可以方便地控制清洗所需要的激光功率。激光可以实现时间和空间上的高度集中，聚焦激光束在焦点附近能产生几千度甚至几万度的高温。利用激光清洗技术对青铜器除锈就是利用激光的这些特性，把足够功率(或能量)的激光束聚集后，照射到青铜器表面的锈蚀部位，锈蚀产物吸收光能后迅速转变为热能，并发生一系列的物理化学反应，从而达到去除青铜器表面锈蚀产物的目的[3]。激光清洗技术的基本原理即利用激光的特性，破坏掉污染物和待清洗物表面之间的作用力，同时又不损伤带清洗物本身。研究工作者提出了各种理论模型，来解释激光清洗技术的作用机理。现目前较普遍被接受的解释大致包括激光汽化挥发、污物颗粒热膨胀、基体表面振动和粒子振动3种[45]。(1)激光汽化挥发。脉冲激光辐照下，激光束聚焦到待清洗物表面，激光能量大部分被污染物吸收，污染物吸收激光能量后温度迅速增高，在激光束焦点附近甚至可以产生几千度甚至几万度的高温，使污染物瞬间汽化挥发。(2)污物颗粒热膨胀。在激光辐照下，颗粒吸收激光能量后快速升温，颗粒内的温度升高是不均匀的，离辐照表面越远，温度升高越小。同时，待清洗物基体和污染物对某一波长激光能量具有很大的接收系数区别。在激光作用下，吸附在基体表面的颗粒获得一定的速度和加速度，脉冲过后，基体快速冷却收缩，颗粒由于惯性脱离基体表面。(3)基体表面振动和粒子振动。在高频脉冲激光的辐射下，激光光束在待清洗物表面产生超声波，使待清洗物表面和污物颗粒产生力学共振，当形成的冲击力大于基体对污粒的表面吸附力时，污物颗粒脱离表面而逃逸，以达到清洗的目的。2.激光清洗 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 的分类激光清洗的方法大致可分为3类，即激光干洗法、激光湿洗法、用激光松散污物后，再用非腐蚀性的化学方法去污[68]。(1)激光干洗法。即采用脉冲激光直接辐射的方法进行清洗。当激光直接照射在待清洗物上，激光被基体或污染物吸收后，因受热膨胀而产生巨大的驱动力，克服了基体与污染物之间的吸附力，从而使基体和污染物分离。66文物修复研究(2)激光湿洗法(或称激光液膜法)。即首先沉积一层液膜最常用的是去离子水）于待清洗物表面，然后用激光辐射清洗。由于液膜的汽化温度低，当激光照射在涂层介质及基体表面时，瞬时的热作用使液膜产生激烈的汽化，推动污染物微粒运动，并随高速流动的汽化物一起被清除。(3)用激光使污染物松散后，再用非腐蚀性的化学方法清洗。比较这三种方法，激光湿洗法相对于激光干洗法效率更高，对激光功率的要求也较低，还可以降低成本，并且最重要的是激光湿洗法对基体表面的损伤更小，所以常采用的是激光湿洗法进行清洗。而当污物比较厚，与基体表面结合得十分紧密，单纯采用激光湿洗法或激光干洗法没有明显效果的时候，就可以先用激光辐射使污物松散，再用非腐蚀性的化学方法清洗。二、激光清洗技术在青铜器除锈中的应用蒋德宾等人[9]尝试研究脉冲激光去除青铜文物锈斑。在实验过程中，采用钕玻璃，YAG，红宝石脉冲激光及调Q激光处理，在不同功率密度下，分别对西周鼎、古钱币、秦戈和古铜镜的残片的不同锈层和部位的锈斑进行了激光去除实验。结果表明在适当的功率密度下，采用红宝石调Q激光可以有效地去除青铜文物有害锈层，并形成一细密的钝化合金层，对青铜器的继续锈蚀与感染有较好的防护作用，且不改变文物的本色。程国义等人[10]利用激光来预防“铜、铁器皿”文物的锈蚀。他们使用纵向激励的CO2激光器对长有“粉状锈”的青铜器进行处理，又将处理过的样品和未处理的样品(同一块青铜器有目的分成三块，且三块上都有粉状锈)，进行“老化”实验比较。实验结果表明，激光处理青铜器样品后，重量减轻，样品里结晶水被排出。青铜器样品保持着原来的成分和结构形态，但表面硬度增加，形成了较理想的硬化组织，对青铜器有防护作用。刘文清等人[11]对铜器采用YAG脉冲激光器作光源，做了表面清洁的实验研究。采用的参数为1064nm、10ns、1Jcm2，在该参数下激光能有效地清除铜器表面附着层，且会稍微改变铜基表面的颜色，但并不损坏铜基。罗毅等人[12]开展了用脉冲激光去除青铜文物锈垢的实验研究。他们使用调Q脉冲激光处理汉王莽钱币，处理后钱币表面结构变细密，形成了保护层。用红宝石调Q激光处理有粉状锈的西周青铜壶残片后，铜元素成分比增加，氯元素成分比大量减少，粉状锈的主要化学成分是碱式氯化铜CuCl23Cu(OH)2，Cl的大量减少说明调Q激光去除锈层的有效性。叶琳[13]在《鎏金青铜文物表面洁除的新方法》一文中，以一件出土的鎏金铜环为例，比较了该鎏金铜环在激光除锈前后的情况，发现激光除锈效果良好，并且将激光除锈的效果与机械除锈的效果相对比，发现激光除锈后鎏金层的表面平整，机械除锈后鎏金层表面多划痕。张晓彤[14]等人对一件鎏金青铜文物进行了激光除锈实验研究。针对这件鎏金青铜造像进行的激光清洗，他们采用了λ1064nm，pwr155—165，Qdiv10的参数，67能量密度在0.30Jcm2—0.50Jcm2的范围内，使用激光垂直照射液膜法进行清洗。结果显示激光对去除鎏金层表面锈蚀效果明显、效率很高，且无任何残留及损伤，证明了激光清洗技术是一种高效、安全、可控的清洗方法。与此同时，本次实验也表明，激光清洗技术并不能完全清除全部腐蚀物，对于难以清除的腐蚀物还需要结合机械或化学方法清除。三、激光除锈的特点任何一种除锈方法都不应该是绝对完美的，它们都有其各自的优缺点，通过与传统的除锈方法相比较，可以更直观体现出激光除锈技术的优势。相对于传统的除锈方法，激光除锈具有如下优点[1517]：1.无机械或化学接触传统的机械除锈方法，如工具法、喷沙法通过接触摩擦来除锈，化学除锈方法必须使化学试剂和青铜器相接触。机械除锈方法对青铜器有机械作用力，化学除锈方法中使用的化学试剂直接作用在青铜器上，这些接触都有可能对青铜器造成损伤。而激光除锈以光的形式传递能量，与青铜器无需直接接触，因此激光除锈尤其适用于脆弱的青铜器。2.工作准确性强激光器可对指定的位置进行除锈，通过控制激光光斑面积的大小和位置，可以除去青铜器不规则或者隐蔽部位的锈蚀。例如，对青铜器孔洞状深部病灶中的锈蚀产物就可以采用激光除锈。3.及时控制和反馈通过实时监测系统可以在除锈过程中监测青铜器的除锈效果，并且可以随时关闭激光电源，终止除锈操作。因此在除锈过程中，操作人员可以监控青铜器除锈状况以便作出最合适的决定，达到任意所需的除锈效果。4.对欲清洗对象具有可选择性激光除锈能够除去青铜器上不同种类的锈蚀产物，达到常规除锈方法无法达到的除锈效果。对不同的锈蚀产物，主要是通过设定激光的参数包括光斑大小、单脉冲能量、脉冲宽度、重复频率等）有选择地除锈，而不会损伤青铜器本体。5.“绿色”环保激光清洗不需要额外的化学试剂，激光湿洗法可能需要添加一些试剂，但主要是去离子水或乙醇等对环境没有污染的物质。在清洗中不会引入附加的任何杂质，只产生很少的废物。清洗下来的废料基本上都是固体粉末，体积小，易于存放，可收，解决了激光清洗技术在青铜器除锈中的应用68文物修复研究化学清洗带来的环境污染问题。就操作者而言，工作时也只需普通的防护衣和面罩，相对比较简便。6.除锈效果好如果选取激光参量适当，激光除锈后还会改变青铜器的表层结构并在表面产生一层氧化物，该氧化物能防止青铜器本身进一步发生锈蚀。7.运行成本低购买激光除锈设备虽然前期的投资较大，但是它的使用寿命长，不需要额外的辅助耗材，仅消耗电能，运行成本低。虽然激光除锈的优点显著，但在实际应用中激光除锈也存在自身的缺陷。比如可能由于能量过高对青铜基体产生腐蚀、不适用于大型的青铜器、无法单独使用除去较厚的锈层等等。四、总结青铜器在长期的自然环境中，易发生锈蚀。目前普遍使用的除锈方法是传统的机械或化学类方法，但由于对除锈的环保性、高精度等要求，传统除锈方法已经无法满足对青铜器文物的除锈要求。而激光清洁技术越来越多地应用在文物上，可以作为对传统除锈方法的一种补充，具有广阔的前景。国内外已经有激光清洗技术成功应用于青铜器除锈的经验，只要根据青铜器实际的锈蚀情况，采用适合的激光器以及激光工艺参数，除去锈蚀的效果比较理想，也不会对青铜器基体造成损伤。同时可以形成一层致密的钝化合金层，对青铜器的继续锈蚀有较好的防护作用。所以本文作者认为将激光清洗技术应用于青铜器文物除锈上将大有可为。但另一方面，激光除锈技术作为一种新型的除锈方法应用到青铜器的保护修复中，仍需要经过长期的试验数据积累和效果评估才能获得安全、可靠的激光参数，从而安全可靠地使用在文物上。参考文献：[1]孙晓强：青铜器的腐蚀与保护探讨[J].文物世界，2002,06:5660。[2]陈颢，田建，李晓帆等：青铜文物修复与保护进展[J].腐蚀与防护，2013,09:766770。[3]宋峰，刘淑静，颜博霞：激光清洗—富有前途的环保型清洗方法[J].清洗世界，2004,05:4348,60。[4]郭晓艳：激光清洗原理及应用[J].科技资讯，2009,08:12。[5]林乔，石敏球，张欣等：激光清洗及其应用进展[J].广州化工，2010,06:2325。69[6]苏春洲，栾晓雨，王海军等：激光清洗技术的初步研究和应用[J].科技资讯，2013,26:36。[7]陈军伟：激光微加工技术纵览—基本原理、实际应用及未来展望[J].光机电信息，2001,11:1521。[8]张天润，张文武，焦俊科：高速激光清洗技术的应用研究[A].中国机械 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学会特种加工分会，第15届全国特种加工学术会议 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 集下）[C].中国机械工程学会特种加工分会，2013,04。[9]蒋德宾，罗毅，高敏：脉冲激光去除青铜文物锈斑的研究[J].西北大学学报自然科学版），1986,04。[10]程国义：激光预防“铜、铁器皿”文物的锈蚀[J].激光杂志，1986,03:130132。[11]刘文清，吴兴无，郭强等：激光表面清洁的实验研究[J].量子电子学，1996,03:265270。[12]罗毅，蒋德宾，高敏：脉冲激光去除青铜文物锈垢机理的研究[J].激光杂志，1997,01:4547。[13]叶琳：鎏金青铜文物表面洁除的新方法[J].文物鉴定与鉴赏，2010,09:4245。[14]张晓彤，张鹏宇，杨晨：光清洗技术在一件鎏金青铜文物保护修复中的应用[J].文物保护与考古科学，2013,03:98103。[15]田彬，邹万芳，刘淑静等：激光干式除锈[J].清洗世界，2006,08:3338。[16]许仁军，张永康，陈菊芳：激光清洗技术概述[A].安徽省科学技术协会，中国科学技术大学；光子科技创新与产业化—长三角光子科技创新论坛暨2006年安徽博士科技论坛论文集[C].安徽省科学技术协会，中国科学技术大学，2006,04。[17]侯俊英，赵程，胡尔建：激光清洗技术及其应用[J].洗净技术，2003,06:1619。激光清洗技术在青铜器除锈中的应用