激光清洗陶瓷表面污染层的工艺参数研究

论文摘要

陶瓷文物是我国历史文化遗产中的重要组成部分,是我国博大精深文化的体现,凝结着我国劳动人民几千年的智慧结晶。出土的陶瓷器物,由于年深日久,都会不同程度地受到自然界各种物质的长期侵蚀,在漫长的历史岁月中形成覆盖其上的难以清理的污染层,因此,出土陶瓷器物的清洗、保护与修复工作尤为重要。激光清洗作为一种新型的表面清洗技术,具有无机械接触、无基底损伤、选择性清洗、绿色环保、高安全度、广适用范围、低成本等优点,已成为文物保护中的核心清洗技术之一,国外在该方面的相关研究已有20多年的历史,但是我国在这一方面起步较晚,而将激光清洗技术应用到陶瓷文物保护中的研究更是少之又少。本论文正是在此背景下,将激光清洗技术与陶瓷文物保护相结合,研究激光清洗陶瓷表面污染层的工艺参数,包括清洗方式的选择和清洗参数的优化。本文首先从实验上对比了逐层烧蚀清洗方式与热应力清洗方式的区别,由于热应力清洗方式的清洗效率远高于逐层烧蚀清洗方式,且清洗完后基底温度更低,没有出现损伤现象,因此实验中选择热应力清洗方式进行研究;然后,实验中确定了评估热应力清洗效果的参数,通过该参数定量地探讨了激光功率、扫描速度、激光重频和脉宽四个影响因素对清洗效果的影响,实验发现:激光功率和扫描速度是两个决定清洗效果的关键参量,而在高重频条件下,激光重频和脉宽的数倍变化对清洗效果的影响是不明显的;随后,实验中测量得到了与激光功率和扫描速度相关的上下限清洗阈值曲线;最后,构建了准三维双层结构的清洗模型,从热传导方程及平衡方程、几何方程、广义虎克定律出发,在实际环境决定的初始条件和边界条件下,仿真计算了模型的温度场和应力场分布,仿真中认为,清洗效果的获得需要满足两点:第一,在接触面处最大剥离应力大于粘附力,第二,剥离应力大于粘附力的径向长度大于清洗过程中选择的步进间距,在此基础上定量地解释了激光重频与脉宽对清洗效果影响不大的原因,给出了仿真中得到的一组与激光功率和扫描速度相关的上下限清洗阈值,与实验结果一致。

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中文摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 选题背景与研究意义

1.2 激光清洗技术

1.2.1 激光清洗技术的发展阶段

1.2.2 激光清洗技术在文物保护领域的发展

1.2.3 文物保护用激光清洗设备

1.3 论文的主要研究内容

第2章激光清洗的理论基础

2.1 激光与物质的相互作用

2.1.1 物质光学特性的微观理论

2.1.2 物质对激光的反射和吸收

2.2 物质吸收激光能量后的物理化学效应

2.2.1 光致电离效应

2.2.2 光致分解效应

2.2.3 光致热效应

2.2.4 由热效应引起的其他效应

2.3 激光清洗污染物

2.3.1 污染物的类型及与基底间的作用力

2.3.2 清洗不同类型污染物时的主要机制

2.4 本章小结

第3章激光清洗陶瓷表面污染层的实验研究

3.1 实验方案

3.1.1 实验装置

3.1.2 实验研究方法

3.2 样品制备

3.3 两种清洗方法的清洗效果对比

3.3.1 烧蚀激光清洗

3.3.2 热应力激光清洗

3.4 热应力清洗方法的工艺参数研究

3.4.1 清洗效果的评估参数

3.4.2 激光重频对清洗效果的影响

3.4.3 激光脉宽对清洗效果的影响

3.4.4 激光功率和扫描速度对清洗效果的影响

3.4.5 合理的工艺参数选择

3.5 本章小结

第4章激光清洗陶瓷表面污染层的理论仿真

4.1 清洗模型的构建

4.2 模型温度场与应力场的计算及分析

4.3 对实验结果的仿真模拟

4.3.1 清洗效果在仿真模型中的解释

4.3.2 激光重频影响下的清洗效果仿真

4.3.3 激光脉宽影响下的清洗效果仿真

4.3.4 激光功率和扫描速度影响下的清洗效果仿真

4.4 光斑类型对清洗效果影响的仿真预测

4.5 本章小结

第5章总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士期间公开发表的成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 徐佳维

导师: 袁孝

关键词: 陶瓷文物,激光清洗,热应力清洗,上下限清洗阈值,清洗模型

来源: 苏州大学

年度: 2019

分类: 基础科学,哲学与人文科学,信息科技

专业: 物理学,考古,无线电电子学

单位: 苏州大学

分类号: K876.3;TN249

DOI: 10.27351/d.cnki.gszhu.2019.001629

总页数: 75

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