Resumen: En el estudio de la cerámica antigua, la medida y el análisis de la composición química tanto de la superficie como de los elementos interiores son de gran importancia. Estos resultados pueden proporcionar información sobre el origen de la cerámica, los tipos de materias primas utilizadas, la evolución de las técnicas de cocción y los sitios de producción.

Espectroscopia De Ruptura Inducida Por Láser (LIBS) Análisis De La Distribución De Superficie Y Profundidad De La Composición De Artefactos De Metal Y Cerámica

Debido a la influencia de factores ambientales externos y defectos estructurales inherentes, los artefactos de bronce exhiben diferentes grados de corrosión. La morfología del óxido y los productos asociados en la superficie de los artefactos de bronce pueden reflejar parcialmente los principios y procesos de la corrosión. Para restaurar y preservar eficazmente los artefactos de bronce, es esencial explorar los mecanismos de corrosión tanto en su superficie como en su interior. Esta comprensión facilita la adopción de medidas de protección correctas y efectivas.

En el estudio de la cerámica antigua, es crucial medir y analizar la composición química de los elementos superficiales e internos. Estos resultados pueden proporcionar información sobre el origen de la cerámica, los tipos de materias primas utilizadas, la evolución de las técnicas de cocción y los lugares de producción.

01 Contenido Experimental

En comparación con otras técnicas de análisis espectroscópico, como la espectrometría de fluorescencia de rayos X (XRF), la espectrometría de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente (ICP-OES) y la espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente (ICP-MS), el equipo LIBS ofrece tres ventajas principales:

1, Cámara de muestra abierta: el equipo LIBS cuenta con una cámara de muestra abierta, lo que permite colocar muestras más grandes directamente para el análisis in situ. No impone requisitos sobre la forma, las propiedades o la planitud de la muestra, eliminando la necesidad de procesos de preparación de muestras complejos y lentos.

2, Daño mínimo con Pulsos láser: Los pulsos láser continuos se pueden aplicar al mismo punto para obtener información de distribución elemental de superficie y profundidad con daño mínimo.

3, Detección de todos los elementos: LIBS puede detectar todos los elementos de la tabla periódica, incluidos los elementos más ligeros como H, Li y B.

Figura 1: Imágenes Físicas de Artefactos de Bronce y Ladrillos Cerámicos

Figura 2: Estructura del Sistema LIBS (a) Diagrama Esquemático y (b) Imagen Física

02 Resultados Experimentales

En los experimentos sobre artefactos de bronce, se seleccionaron tres puntos en cada muestra de bronce para las pruebas espectrales LIBS. La figura 3 (versión en color disponible en la edición electrónica de la revista) muestra los espectros de distribución de superficie y profundidad de los elementos para el bronce1. En la figura 3 (a), la energía de pulso único láser utilizada fue de 26,2 mJ, y cada punto de datos espectral representa la acumulación de 10 pulsos láser.

Figura 3: Espectros LIBS de diferentes posiciones en Bronce1

La presencia de elementos como Fe, Si, Na, Mg y Al indica que el entorno de arena y suelo juega un papel en la formación de la capa de corrosión en la superficie de los artefactos de bronce. Bajo excitación de pulso continuo, el elemento Zn se puede observar en el artefacto de bronce. Sin embargo, solo existe en la capa de corrosión y no en el substrato mismo. Una mayor observación de los resultados espectrales revela que la superficie del bronce2 contiene abundantes elementos de tierras raras. La presencia de estos elementos de tierras raras tiende a formar una película protectora de óxido, evitando una mayor oxidación y corrosión. Durante el proceso de ablación gradual del láser, la mayoría de los elementos de tierras raras desaparecen, lo que sugiere que la composición elemental del substrato es relativamente simple y la complejidad de la composición superficial surge de los elementos en la capa de corrosión.

Figura 4: Espectros LIBS de diferentes posiciones en Bronce2

Tabla 1: Resultados de la distribución elemental de superficie y profundidad del bronce2

Para las muestras cerámicas, dado que sus superficies son relativamente planas, la profundidad de erosión promedio de tres muestras de baldosas cerámicas se probó primero con un microscopio confocal. La profundidad de erosión promedio por pulso para CZ-14 fue de 0,84 micras, para CZ-01, la profundidad de erosión promedio de la parte blanca fue de 1,66 micras y la parte verde fue de 1,57 micras. Para CZ-02, la profundidad de erosión promedio de la parte blanca fue de 1,07 micras y la parte azul de 1,29 micras. La morfología de las muestras de baldosas cerámicas después de ser abladas por láser pulsado se muestra en la Figura 6 (versión en color disponible en la edición electrónica de la revista).

Tabla 2: Profundidad promedio de erosión de muestras de baldosas cerámicas en diferentes posiciones

Figura 5: Microscopía Confocal Morfología De Profundidad De Erosión De Muestras De Azulejos Cerámicos

Figura 6: Espectros de Variación del Elemento B con Número de Pulsos

Cuando el número de pulsos láser para la parte blanca es de 40 o 41, el cambio en la composición elemental indica que el láser ha alcanzado la interfaz entre dos capas diferentes. El grosor estimado de esta capa es de aproximadamente 67 micras. A medida que el número de pulsos láser sigue aumentando, la composición elemental permanece sin cambios. Sin embargo, cuando el recuento de pulsos alcanza alrededor de 2000, la relación señal-ruido del sistema se deteriora, lo que dificulta la distinción de elementos. Para la parte verde, cuando el número de pulsos láser es de 25 o 26, la variación en el elemento B sugiere que el láser ha alcanzado la interfaz entre dos capas diferentes. La tendencia de este cambio se muestra en la Figura 9 (versión en color disponible en la edición electrónica de la revista). A partir de esto, el grosor estimado de la capa es de aproximadamente 40 micras.

03 Conclusión Experimental

Se utilizó espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS) para estudiar la distribución de superficie y profundidad de los componentes en artefactos de bronce desenterrados de las tumbas de Guozhuang Chu en Shangcai, provincia de Henan, y baldosas cerámicas del Pabellón Lingzhao del Museo de la Ciudad Prohibida. Las ventajas de la tecnología LIBS residen en sus requisitos mínimos de muestra, sin necesidad de pretratamiento de muestras, la capacidad de medir simultáneamente múltiples elementos y su velocidad y precisión. Además, el láser proporciona una cierta profundidad de ablación, lo que permite el análisis capa por capa sin la necesidad de incrustar la muestra. El análisis estructural microscópico reveló que ambos tipos de muestras de artefactos exhiben una estructura estratificada. El análisis elemental de distribución de superficie y profundidad ayuda a comprender los mecanismos de corrosión de las capas de corrosión superficial de los artefactos de bronce, proporcionando así métodos científicos para su protección.

Recomendación:

Aplicación De Espectroscopia De Ruptura Inducida Por Láser (LIBS) En La Industria Metalúrgica De Acero Con Bajo Carbono

El sistema LIBS utiliza pulsos láser ultracortos para enfocar la superficie de la muestra, formando plasma. La luz emitida por el plasma se analiza con un espectrómetro, identificando la composición elemental de la muestra. Esta tecnología permite la identificación, clasificación de materiales, así como el análisis cualitativo y cuantitativo, lo que la hace muy adecuada para aplicaciones en la industria metalúrgica del acero con bajo contenido de carbono. LIBS ofrece detección y análisis precisos y en tiempo real de composiciones de aleaciones, lo que ayuda a optimizar los procesos de producción, mejorar la calidad del material y garantizar el cumplimiento de con las normas ambientales en la fabricación de acero.