泥塑文物表面有機(jī)污物的激光去除與損傷研究

朱 明，石 坤，吳 斌，侯宵飛，石 玗

1.蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050 2.蘭州理工大學(xué) 有色金屬合金及加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050

0 前言

大量泥塑文物在露天保存過程中，易受到各類污物的腐蝕與破壞，造成珍貴文物的永久型損壞，因此需要定期、無損的清洗與維護(hù)，延長文物的保存壽命。以甘肅西部敦煌研究院保護(hù)的天梯山石窟為例（見圖1），高28 m的大型佛像在露天保護(hù)過程中，大量鳥糞類有機(jī)污物沉積在佛像表面，其中含有的尿酸鹽、銨、氮、磷酸、草酸、碳酸鹽、硝酸鉀等成分會(huì)對文物表面產(chǎn)生不同程度的腐蝕損傷行為，并且鳥糞類沉積物在長期日照風(fēng)化和擴(kuò)散作用的影響下，會(huì)形成硬度約為2～3級、密度約為1.65～1.71 g/cm3的斜方晶系高硬沉積層[1-3]。目前，應(yīng)用于泥塑文物清洗的方法主要有水蒸汽清洗法、化學(xué)清洗法、粒子噴射清洗法、激光清洗方法等。但是，常規(guī)的化學(xué)清洗或機(jī)械摩擦清洗易對文物基體造成不可逆的損傷，并不適用于珍貴文物表面有機(jī)污物的頻繁清洗[4-5]。

圖1 天梯山石窟佛像及其表面鳥類排泄物Fig.1 Buddha statues in Tiantishan Grottoes and bird excrement on the surface of Buddha statue

目前，激光清洗已在金屬文物的表面清洗領(lǐng)域得到了一些典型應(yīng)用[6-12]。例如J.F.Asums等[13-14]和張秉堅(jiān)等[15]研究了文物表面污物的清洗技術(shù)及其清洗效果，得出激光清洗精度高，效果遠(yuǎn)好于以往清洗技術(shù)。蔣德賓等[16]使用激光清洗技術(shù)去除青銅器表面的污物及有害物質(zhì)中發(fā)現(xiàn)青銅器表面的污染物被有效去除并且會(huì)形成一道可以有效保護(hù)青銅器本身的致密薄膜。S.Siano等[17-18]對金屬類文物進(jìn)行系統(tǒng)性清洗試驗(yàn)，結(jié)果表明調(diào)Q激光器能有效去除銀幣表面的銀鹽與鍍金青銅表面的硬殼。由于泥塑類文物的清洗難度相較于金屬類文物更高，基材易受到損傷，因此相關(guān)研究較少，還需要針對清洗機(jī)理和損傷行為等開展研究。

文中通過分析激光熱源特性對鳥糞類有機(jī)污物的熱作用模式，研究不同去除模式的能量閾值及對基材的損傷行為，提出最優(yōu)的激光清洗模式與工藝過程，為泥塑文物保護(hù)過程中的激光清洗工藝提供理論依據(jù)與參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用敦煌佛像制土和甘肅當(dāng)?shù)伉B類排泄物，模擬泥塑文物表面有機(jī)污物制樣，有機(jī)污物層厚約8 mm，樣品尺寸為Φ40 mm×20 mm，如圖2所示。

圖2 制備試樣Fig.2 Prepared sample

1.2 試驗(yàn)方法

選用HY-TS20A脈沖光纖激光器，光源類型為高斯光源，激光器參數(shù)為：激光器波長1 064 nm；激光功率調(diào)節(jié)范圍0～20 W；激光脈沖寬度調(diào)節(jié)范圍1～350 ns；脈沖頻率調(diào)節(jié)范圍10～2 000 kHz；最小光斑直徑30 μm；焦距210 mm；輸出光束質(zhì)量M2≤1.3；工作時(shí)電力需求為220V±22V/50 Hz/12 A；設(shè)備冷卻方式采用高精度恒溫（閉環(huán)風(fēng)冷）；工作溫度范圍0～40℃。實(shí)驗(yàn)中激光器參數(shù)為：激光能量密度0.212～0.398 J/cm2，脈沖頻率 30 kHz，脈沖寬度300 ns，光斑直徑400 μm。采用上述激光參數(shù)作用到試樣表面的有機(jī)污物層，使用OLYMPUS i-speed3型高速攝像機(jī)和工業(yè)顯微鏡高清鏡頭采集激光清洗過程。為了更好地觀察成形過程，便于后期圖像處理分析，選用波長532 nm的窄帶濾光片濾除強(qiáng)光，并用HSX-F300型氙燈作為輔助光源。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.3 Experimental system diagram

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)污物層燒蝕去除過程分析

當(dāng)激光能量密度為0.265 J/cm2時(shí)，高速攝像采集系統(tǒng)拍攝到有機(jī)污物層出現(xiàn)燒蝕去除過程，選取一段有機(jī)污物層燒蝕去除的高速攝像視頻進(jìn)行分幀處理，處理完成圖片如圖4所示。圖4a是激光開始作用到有機(jī)污物層，隨著激光的繼續(xù)作用，有機(jī)污物層在激光作用區(qū)域上方出現(xiàn)了大量的白煙（見圖4b），有機(jī)污物層在激光的繼續(xù)作用下出現(xiàn)燃燒火焰（見圖4c）。圖4d是有機(jī)污物層在激光作用下出現(xiàn)燒蝕去除后的形貌，激光作用區(qū)域有機(jī)污物層被燒蝕發(fā)黑而被去除。

圖4 有機(jī)污物層燒蝕去除過程Fig.4 Ablation process of organic fouling layer

對于激光清洗有機(jī)污物層過程出現(xiàn)燒蝕去除分析如下：當(dāng)脈沖激光作用到泥塑表面有機(jī)污物層時(shí)，激光作用區(qū)域有機(jī)污物層會(huì)瞬間吸收激光能量，有機(jī)污物層接收的激光能量將轉(zhuǎn)化為熱能，有機(jī)污物層溫度將會(huì)快速升高，達(dá)到其燃點(diǎn)，所產(chǎn)生的熱效應(yīng)會(huì)破壞有機(jī)污物層自身結(jié)構(gòu)，將其從泥塑表面去除，示意圖如圖5所示。

圖5 激光作用到有機(jī)污物層上燒蝕效應(yīng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of ablation effect of laser on organic dirt layer

以上研究表明，激光清洗泥塑文物表面有機(jī)污物層時(shí)，當(dāng)激光能量密度達(dá)到0.265 J/cm2時(shí)，會(huì)產(chǎn)生燒蝕去除現(xiàn)象，去除過程出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象并伴隨大量煙塵產(chǎn)生，激光清洗結(jié)束后，泥塑文物表面激光作用區(qū)域出現(xiàn)燒蝕后的黑斑。

2.2 有機(jī)污物層振動(dòng)去除過程分析

當(dāng)激光能量密度為0.371 J/cm2時(shí)，通過高速攝像采集系統(tǒng)拍攝到清洗過程中有機(jī)污物出現(xiàn)振動(dòng)去除現(xiàn)象，同樣進(jìn)行分幀處理，處理完成圖片如圖6所示。圖6a是激光光束作用到有機(jī)污物層，有機(jī)污物層出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；由圖6b、6c可以看到，有機(jī)污物層在激光繼續(xù)作用下出現(xiàn)顆粒狀飛濺。圖6d是有機(jī)污物層激光作用區(qū)域噴濺去除后的形貌。

圖6 有機(jī)污物層噴濺去除過程Fig.6 Splash removal of organic dirt layer

激光清洗泥塑文物表面有機(jī)污物層時(shí)，有機(jī)污物層出現(xiàn)振動(dòng)去除現(xiàn)象的原因如下：實(shí)驗(yàn)中采用納秒脈沖激光，當(dāng)單個(gè)脈沖作用到有機(jī)污物層表面時(shí)，有機(jī)污物層和泥塑文物基底吸收激光的能量，但是由于作用時(shí)間極短，有機(jī)污物層和泥塑文物基底層的加熱和冷卻過程都是瞬時(shí)完成，產(chǎn)生的熱膨脹作用會(huì)使有機(jī)污物層和泥塑文物基底界面處產(chǎn)生較大的應(yīng)力梯度，從而引起振動(dòng)波，在界面處形成的熱應(yīng)力大于有機(jī)污物層與泥塑文物基底表面的粘合力，最終導(dǎo)致有機(jī)污物層從泥塑文物基底上被剝落掉，產(chǎn)生開裂和噴濺去除現(xiàn)象。有機(jī)污物層振動(dòng)去除效應(yīng)如圖7所示。

圖7 有機(jī)污物層振動(dòng)效應(yīng)示意圖Fig.7 Schematic diagram of vibration effect of organic dirt layer

綜上所述，激光清洗泥塑文物表面有機(jī)污物過程中會(huì)出現(xiàn)燒蝕去除現(xiàn)象和振動(dòng)去除現(xiàn)象，當(dāng)激光能量密度達(dá)到0.265 J/cm2時(shí)，出現(xiàn)燒蝕去除現(xiàn)象，當(dāng)激光能量密度達(dá)到0.371 J/cm2時(shí)，振動(dòng)去除現(xiàn)象更加明顯。對于激光清洗泥塑文物表面有機(jī)污物過程中無論出現(xiàn)燒蝕去除還是振動(dòng)去除，都有一定的效果。因此可以采用不同的去除形式相結(jié)合的方法，達(dá)到最佳的清洗效果。

2.3 激光清洗有機(jī)污物層對泥塑基體損傷行為分析

采用激光清洗技術(shù)清除文物表面的有機(jī)污物層，必須考慮這項(xiàng)技術(shù)在清除過程中是否會(huì)對文物本體造成損傷，這是文物保護(hù)的首要和關(guān)鍵問題。泥塑表面有機(jī)污物層去除時(shí)，難以動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)把控去除過程，實(shí)現(xiàn)基體無損，這將導(dǎo)致泥塑表面有機(jī)污物層逐漸被去除后，激光直接作用到泥塑基體表面，從而損傷基體。為了清晰觀察到激光對于泥塑基體的損傷形式，試驗(yàn)中將激光光束直接作用到未覆蓋有機(jī)污物層的泥塑基體表面，觀察泥塑基體損傷情況。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀察到當(dāng)激光能量密度達(dá)到0.265 J/cm2時(shí)，泥塑基體主要出現(xiàn)灼燒損傷；而當(dāng)激光能量密度達(dá)到0.371 J/cm2時(shí)，泥塑基體主要出現(xiàn)凹坑損傷，如圖8所示。因此激光清洗過程中需要改變激光能量密度來控制熱輸入進(jìn)而避免基材的損傷。

圖8 泥塑基體損傷形式Fig.8 Clay Sculpture matrix damage form

3 結(jié)論

針對泥塑文物表面有機(jī)污物的激光清洗實(shí)驗(yàn)，采用激光參數(shù)為波長1 064 nm，脈沖頻率30 kHz，脈沖寬度300 ns，光斑直徑400 μm，激光能量密度為0.212～0.398 J/cm2，得到以下結(jié)論：

（1）納秒脈沖激光作用到泥塑文物表面有機(jī)污物層時(shí)，主要出現(xiàn)燒蝕去除效應(yīng)和振動(dòng)去除效應(yīng)。有機(jī)污物層去除后泥塑基體主要出現(xiàn)凹坑損傷和灼燒損傷。

（2）有機(jī)污物層在激光能量密度為0.265 J/cm2時(shí)出現(xiàn)分解燃燒去除，去除過程中產(chǎn)生大量白煙。在激光能量密度為0.371 J/cm2時(shí)有機(jī)污物層出現(xiàn)噴濺去除，過程中出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，并伴隨著顆粒狀飛濺，有機(jī)污物層逐漸被去除。

（3）實(shí)驗(yàn)中表明，激光清洗泥塑文物表面有機(jī)污物過程中，采用靜態(tài)工藝參數(shù)很難實(shí)現(xiàn)泥塑文物表面有機(jī)污物完全去除且基材無損，因此后續(xù)研究需要通過對清洗過程激光能量密度調(diào)控來控制熱輸入，從而保證基材無損。