Résumé : Dans l'étude des céramiques anciennes, la mesure et l'analyse de la composition chimique des éléments de surface et intérieurs sont d'une grande importance. Ces résultats peuvent fournir des informations sur l'origine des céramiques, les types de matières premières utilisées, l'évolution des techniques de cuisson et les sites de production.

Analyse par spectroscopie de dégradation induite par laser (LIBS) de la répartition en surface et en profondeur de la composition des artefacts métalliques et céramiques

En raison de l'influence des facteurs environnementaux externes et des défauts structurels inhérents, les artefacts en bronze présentent divers degrés de corrosion. La morphologie de la rouille et les produits associés à la surface des artefacts en bronze peuvent refléter partiellement les principes et les processus de corrosion. Pour restaurer et préserver efficacement les artefacts en bronze, il est essentiel d'explorer les mécanismes de corrosion à la fois à leur surface et à leur intérieur. Cette compréhension facilite l'adoption de mesures de protection correctes et efficaces.

Dans l'étude des céramiques anciennes, il est crucial de mesurer et d'analyser la composition chimique des éléments de surface et internes. Ces résultats peuvent fournir des informations sur l'origine des céramiques, les types de matières premières utilisées, l'évolution des techniques de cuisson et les lieux de production.

01 Contenu expérimental

Comparé à d'autres techniques d'analyse spectroscopique, telles que la spectrométrie de fluorescence X (XRF), la spectrométrie d'émission optique à plasma à couplage inductif (ICP-OES) et la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS), l'équipement LIBS offre trois avantages principaux :

1 Chambre d'échantillon ouverte : L'équipement LIBS dispose d'une chambre d'échantillon ouverte, permettant de placer directement des échantillons plus grands pour une analyse in situ. Il n'impose aucune exigence sur la forme, les propriétés ou la planéité de l'échantillon, éliminant ainsi le besoin de processus de préparation d'échantillons complexes et chronophages.

2 Dégâts minimaux avec les impulsions laser : Des impulsions laser continues peuvent être appliquées au même point pour obtenir des informations sur la distribution élémentaire de surface et de profondeur avec un minimum de dommages.

3 Détection de tous les éléments : LIBS peut détecter tous les éléments du tableau périodique, y compris les éléments plus légers tels que H, Li et B.

Figure 1 : Images physiques d'artefacts en bronze et de briques en céramique

Figure 2 : Structure du système LIBS (a) Schéma et (b) Image physique

02 Résultats expérimentaux

Lors des expériences sur les artefacts en bronze, trois points ont été sélectionnés sur chaque échantillon de bronze pour les tests spectraux LIBS. La figure 3 (version couleur disponible dans l'édition électronique de la revue) montre les spectres de distribution de surface et de profondeur des éléments pour le bronze1. Sur la figure 3 (a), l'énergie laser à impulsion unique utilisée était de 26,2 mJ, et chaque point de données spectrales représente l'accumulation de 10 impulsions laser.

Figure 3 : Spectres LIBS de différentes positions sur Bronze1

La présence d'éléments tels que Fe, Si, Na, Mg et Al indique que l'environnement du sable et du sol joue un rôle dans la formation de la couche de corrosion à la surface des artefacts en bronze. Sous excitation pulsée continue, l'élément Zn peut être observé sur l'artefact en bronze. Cependant, il n'existe que dans la couche de corrosion et non dans le substrat lui-même. Une observation plus approfondie des résultats spectraux révèle que la surface du bronze2 contient d'abondants éléments de terres rares. La présence de ces éléments de terres rares a tendance à former un film d'oxyde protecteur, empêchant une oxydation et une corrosion supplémentaires. Au cours du processus d'ablation progressive du laser, la plupart des éléments de terres rares disparaissent, ce qui suggère que la composition élémentaire du substrat est relativement simple et que la complexité de la composition de la surface provient des éléments de la couche de corrosion.

Figure 4 : Spectres LIBS de différentes positions sur Bronze2

Tableau 1 : Résultats de la distribution de la surface élémentaire et de la profondeur de Bronze2

Pour les échantillons de céramique, étant donné que leurs surfaces sont relativement plates, la profondeur d'érosion moyenne de trois échantillons de carreaux de céramique a d'abord été testée à l'aide d'un microscope confocal. La profondeur d'érosion moyenne par impulsion pour CZ-14 était de 0,84 μm, pour CZ-01, la profondeur d'érosion moyenne de la partie blanche était de 1,66 μm et la partie verte était de 1,57 μm. Pour CZ-02, la profondeur d'érosion moyenne de la partie blanche était de 1,07 μm et la partie bleue était de 1,29 μm. La morphologie des échantillons de carreaux de céramique après ablation par laser pulsé est illustrée à la figure 6 (version couleur disponible dans l'édition électronique de la revue).

Tableau 2 : Profondeur d'érosion moyenne des échantillons de carreaux de céramique à différentes positions

Figure 5 : Morphologie de la profondeur d'érosion par microscopie confocale d'échantillons de carreaux de céramique

Figure 6 : Spectres de variation de l'élément B avec le nombre d'impulsions

Lorsque le nombre d'impulsions laser pour la partie blanche est de 40 ou 41, le changement de composition élémentaire indique que le laser a atteint l'interface entre deux couches différentes. L'épaisseur estimée de cette couche est d'environ 67 μm. Alors que le nombre d'impulsions laser continue d'augmenter, la composition élémentaire reste inchangée. Cependant, lorsque le nombre d'impulsions atteint environ 2000, le rapport signal / bruit du système se détériore, ce qui rend difficile la distinction des éléments. Pour la partie verte, lorsque le nombre d'impulsions laser est de 25 ou 26, la variation de l'élément B suggère que le laser a atteint l'interface entre deux couches différentes. La tendance de ce changement est illustrée à la figure 9 (version couleur disponible dans l'édition électronique de la revue). De là, l'épaisseur estimée de la couche est d'environ 40 μm.

03 Conclusion expérimentale

La spectroscopie de dégradation induite par laser (LIBS) a été utilisée pour étudier la distribution en surface et en profondeur des composants des artefacts en bronze découverts dans les tombes de Guozhuang Chu à Shangcai, dans la province du Henan, et des carreaux de céramique du pavillon Lingzhao du musée de la Cité interdite. Les avantages de la technologie LIBS résident dans ses exigences minimales en matière d'échantillons, l'absence de prétraitement des échantillons, la capacité de mesurer simultanément plusieurs éléments, ainsi que sa vitesse et sa précision. De plus, le laser fournit une certaine profondeur d'ablation, permettant une analyse couche par couche sans avoir besoin d'incorporer l'échantillon. L'analyse structurelle microscopique a révélé que les deux types d'échantillons d'artefacts présentent une structure en couches. L'analyse élémentaire de la distribution de la surface et de la profondeur aide à comprendre les mécanismes scientifiques de protection contre la corrosion des artefacts, fournissant ainsi des méthodes de corrosion.

Recommandation :

Application de la spectroscopie de dégradation induite par laser (LIBS) dans l'industrie de la métallurgie de l'acier à faible teneur en carbone

Le système LIBS utilise des impulsions laser ultra-courtes pour se concentrer sur la surface de l'échantillon, formant du plasma. La lumière émise par le plasma est analysée à l'aide d'un spectromètre, identifiant la composition élémentaire de l'échantillon. Cette technologie permet l'identification et la classification des matériaux, ainsi que l'analyse qualitative et quantitative, ce qui la rend très adaptée aux applications dans l'industrie de la métallurgie de l'acier à faible teneur en carbone. LIBS offre une détection et une analyse précises et en temps réel des compositions d'alliages, aidant à optimiser les processus de production, à améliorer la qualité des matériaux et à garantir le respect des normes environnementales dans la fabrication de l'acier.