微型光纖光譜儀在材料老化研究中的應(yīng)用

鄭敏俠，尉淑瓊，王 藺，劉 渝，康 彬，鐘發(fā)春

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽，621900)

微型光纖光譜儀在材料老化研究中的應(yīng)用

鄭敏俠，尉淑瓊，王 藺，劉 渝，康 彬，鐘發(fā)春

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽，621900)

本文簡要介紹了顏色測量的理論基礎(chǔ)和交叉Czerny－Turner式分光結(jié)構(gòu)光纖光譜儀的工作原理;概述了光譜儀在老化含能材料中的應(yīng)用。利用微型光纖光譜儀對材料在老化過程中的表面顏色變化進(jìn)行定量化分析，得到的結(jié)果表明:微型光纖光譜儀可為含能材料的老化研究提供更客觀和科學(xué)的依據(jù)。

微型光纖光譜儀;應(yīng)用;材料老化

在武器整貯的實驗中，由于不同材料間的互相作用以及環(huán)境溫濕度、儲存氣氛等各種因素對材料的影響，含能材料的表界面顏色會發(fā)生不同程度的變化。因此，為了掌握含能材料老化過程中顏色變化規(guī)律，能滿足顏色實時測量和控制的顏色測量系統(tǒng)，已經(jīng)成為共同關(guān)心的重要課題。隨著光纖與光譜技術(shù)的結(jié)合，使得微型光纖光譜儀在各種顏色光譜測量及相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文采用小型的光纖光譜儀技術(shù)，結(jié)合CIE(國際照明委員會)色度系統(tǒng)規(guī)定計算出顏色三刺激值和紫外/可見光譜吸收結(jié)果，客觀地反映了含能材料表面顏色變化特性。

1 顏色測量理論基礎(chǔ)

物體的顏色取決于對光的選擇吸收。光照射于物體，物體選擇吸收某種波長范圍的光，反射回其余波長的光，反映到人腦就是物體的顏色印象。早期沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和約定，顏色科學(xué)工作者紛紛以各自的研究領(lǐng)域和實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，發(fā)表過多個色差公式［1］。但是各個公式間數(shù)據(jù)難以轉(zhuǎn)換，計算結(jié)果間無法對比。1931年，CIE將顏色的測量描述為對顏色刺激的測量，并推薦了三刺激值的計算公式［2］，CIE標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)是客觀測量物體色的基礎(chǔ)。此后CIE對標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)作了補(bǔ)充［3－5］，1976年正式推薦了兩個改進(jìn)的均勻顏色空間，即CIE1976 L*u*v*顏色空間和CIE1976 L*a*b*顏色空間，彌補(bǔ)了CIE1931顏色品圖的不均勻性。隨后，CIELAB顏色空間體系在工業(yè)界得到廣泛應(yīng)用，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)及許多國家的標(biāo)準(zhǔn)化組織都據(jù)此制定了各自相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。CIE體系實現(xiàn)了顏色的“數(shù)字化”，即使用測量儀器將物件顏色的測量轉(zhuǎn)化為一系列的數(shù)據(jù)來表達(dá)，改進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)中對顏色質(zhì)量的控制和管理，也便于人們對顏色的精確描述和在商品交易中顏色信息的傳遞與交流。

2 微型光纖光譜儀在顏色測量中的應(yīng)用特點

微型光纖光譜儀具有許多大型光譜儀所不具備的優(yōu)點，如重量輕、體積小、探測速度快、使用方便、可集成化、可批量制造以及成本低廉等，像普通光譜儀一樣微型光譜儀有著巨大的應(yīng)用市場，可以應(yīng)用在實驗室物理化學(xué)分析、臨床醫(yī)學(xué)檢驗、工業(yè)過程監(jiān)控、航空航天遙感等領(lǐng)域，因而引起了人們廣泛的興趣［3］。微型光纖光譜儀光學(xué)系統(tǒng)及測試原理如圖1所示。

圖1 微型光纖光譜儀光學(xué)系統(tǒng)圖Fig.1 The optic system of the mini fiber optical sepctometer

光源發(fā)光通過光纖傳導(dǎo)入采樣附件(積分球、光纖探頭等)，光線照射于物體表面后，反射光再經(jīng)采樣附件導(dǎo)入與光譜儀相連的光纖束，被測光由SMA905光纖接頭入射到光譜儀內(nèi)。而光譜儀內(nèi)的光學(xué)平臺設(shè)計采用交叉Czerny－Turner分光結(jié)構(gòu)，入射光經(jīng)反射準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直，平面反射式光柵分光后，將入射光分成按一定波長順序排列的單色光，再由成像物鏡聚焦后，投射到CCD陣列檢測器的光敏面上進(jìn)行檢測。

在含能材料顏色特性表征實際測量過程中，光纖光譜儀采樣附件多數(shù)為積分球(結(jié)構(gòu)如圖2)，它可以放在待測物的表面，測量各個位置的顏色。積分球的主要功能是作為光收集器，基本原理是光經(jīng)多次反射后，均勻地散射在積分球內(nèi)部，使之成為一個理想均勻的光源，探測光纖通過SMA905光纖接頭與積分球側(cè)面的接口相連，該接口前有一阻光擋板，避免了采樣口的光直接反射進(jìn)入光纖。

另一種光纖光譜儀采樣附件為光纖采樣探頭(如圖3)，光纖束由 7根光纖組成，通過標(biāo)準(zhǔn)SMA905接頭，可把光源發(fā)出的光耦合進(jìn)由6根光纖組成的光纖束中，傳導(dǎo)到探頭末端。光纖探頭主要有反射式和透射式浸入型兩類，探頭的外面有保護(hù)層，使之具有耐高溫和抗化學(xué)腐蝕等性能。材料表面顏色測量用反射式光纖探頭。

圖2 積分球結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure of the inter graph

圖3 光纖探頭結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure of the opeical fiber

3 具體應(yīng)用實例

3.1 TATB表面顏色變化研究

TATB(1，3，5－ 三硝基－2，4，6－ 三氨基苯)是最常用的鈍感高能炸藥，具有良好的熱穩(wěn)定性和抗沖擊性。1981年首次有文獻(xiàn)報道了這種炸藥在光照射下顏色由黃變綠［4］，自那時起，就陸續(xù)有許多研究試圖確定顏色變化的原因。本文使用荷蘭AVANTES公司生產(chǎn)的AvaSpec－2048FT－TEC光纖光譜儀進(jìn)行了TATB的紫外/可見吸收光譜測量，如圖4所示。研究結(jié)果表明，TATB在氘鹵光源及可見光源照射下都會在600至750nm范圍內(nèi)產(chǎn)生一個強(qiáng)度隨照射時間增加而增加的吸收峰，說明TATB在光照條件下表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定變化，為TATB顏色變化分析提供更科學(xué)的依據(jù)。

圖4 TATB在氘鹵光源及可見光源照射下隨時間變化譜圖Fig.4 The spectra of TATB varies with time by D-light irradiated

3.2 PU101老化機(jī)理研究

作為一種高分子材料的聚氨酯膠粘劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)變化的影響因素很多，這種變化是細(xì)微的，往往由于樣品差異和同一樣品的不同部位都會帶來微觀檢測結(jié)果的差異。即便采用原位在線的監(jiān)測技術(shù)，即使試樣的顏色已發(fā)生了變化，還是不容易區(qū)分這種變化，畢竟引起材料顏色變化的官能團(tuán)的數(shù)目僅可能在千分之一或萬分之一［5］。我們嘗試用光纖光譜技術(shù)研究了PU101在不同老化過程中的微觀變化。研究結(jié)果表明(如圖5所示):隨著老化程度的增加，在323nm處的吸光度反映出隨溫度升高吸光度增加的趨勢，此時肉眼尚不能區(qū)分聚氨酯膠粘劑老化帶來的顏色變化，而利用光纖光譜技術(shù)可以檢測到PU101在不同老化條件下的細(xì)微變化。

圖5 PU101紫外/可見吸收光譜圖Fig.5 The UV spectra of PU101 varies with time and temperature

3.3 PBX老化過程中顏色變化定量表征

由于PBX材料間的許多組分的互相作用以及環(huán)境溫濕度、儲存氣氛等各種因素對材料的影響，材料的表界面顏色會發(fā)生不同程度的變化［6］。以下是采用小型光纖光譜技術(shù)，結(jié)合CIE色度系統(tǒng)規(guī)定計算出顏色三刺激值，有效地表征了PBX材料在儲存過程中的顏色變化特點;并且通過多次測量減小了測量誤差，并對單點測量A類不確定度進(jìn)行了評估。結(jié)果如表1所示。

表1 PBX材料老化過程中顏色測量結(jié)果Table1 the color changing of PBX in the process of aging

(續(xù)表1)

通過以上檢測可以看出，通過多次測量、比較分析統(tǒng)計和整理綜合，可以獲得PBX顏色特性參數(shù)變化情況，為探索并掌握PBX老化過程顏色變化規(guī)律和研究PBX老化機(jī)理提供技術(shù)支撐。

5 結(jié)論

隨著微型光纖光譜儀的出現(xiàn)，光譜技術(shù)也已轉(zhuǎn)化為一種以被測樣品為中心而設(shè)計現(xiàn)場儀器的實用技術(shù)，使得新一代的光纖光譜儀具有成本低、高分辨、便攜和高速測量等優(yōu)點，可以很方便地用于在線檢測和實驗室測量中。通過微型光纖光譜儀對含能材料顏色檢測發(fā)現(xiàn)，如在含能材料顏色變化、老化機(jī)理及顏色定量測量研究中，材料表面的微小變化均能通過微型光纖光譜儀反映出來。因此，便攜、低成本的光譜儀設(shè)備能有效運(yùn)用于老化材料的在線研究中，能有效地提高工作效率，具有廣闊的運(yùn)用前景。

［1］Robertson A R.Historical development of CIE recommended color diference equations［J］.Color Res Appl，1990，15:167－170.

［2］薛朝華.顏色科學(xué)與計算機(jī)測色配色實用技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004:89－90.

［3］黎國梁.光纖光譜儀在顏色在線測量中的應(yīng)用［J］，廣東化工，2008年第10期35卷.

［4］Britt，A.D.;Moniz，W.B.;Chingas，G.C.;Moore，D.W.;Heller，C.A.;Ko，C.L.Propellants Explos［J］.1981，6，94－95.

［5］Thomas J X，Charles A W.Polym Degrad and Stab［J］，1997 ，56:109.

［6］陸家和等.現(xiàn)代分析技術(shù).北京［M］:清華大學(xué)出版社，1995.

Fiber Optical Spectrometer and Its Application in the Ageing Materials

ZHENG Min-xia，WEI Shu-qiong，WANG Lin，LIU Yu，KANG Bin，ZHONG Fa-chun
(Institute of Chemical Materials ，CAEP，Mianyang 621900，Sichuan，China))

In this paper，the theoretical priniple of the color-measuring method，the working mechanism of the cross type of splitting structure fiber optic spectrometer，and the application of spectrometer in aging energetic materials were elaborated.The surface color changes of materials in the process of aging have been carried out quantiative analysis with a mini fiber optic spectromer could provide a scientific basis for investrigating mechanism in aging energetic materials.

the fiber optial spectrometer;application;aging materials

TQ 016

2011－10－20