LIBS对钛合金焊缝中成分的原位统计分布分析表征

钛合金凭借其强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点已经被广泛应用于航天、海洋、生物医药等诸多领域,其中Ti-6Al-4V（TC4）合金的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好,已成为钛合金工业中的王牌合金。钛合金在激光焊接时,加入表面活性剂可以增加焊缝熔深、提高焊接效率、改善焊缝微观组织的不均匀性,但是可能会改变熔合区和焊缝区中元素含量及其分布状态,从而可能会对材料的性能产生一定的影响。运用LIBS分析技术对TC4钛合金焊接试样表面进行面扫描同步获得多元素成分信息,同时结合原位统计分布分析方法（OPA）,实现了对钛合金母材、熔合区、焊缝成分及其分布状态的快速表征,为活性剂的选择和焊接后钛合金的材料性能提供一种新的评价手段。选取了两个使用不同活性剂进行焊接的TC4钛合金薄板试样,选取焊缝纵切面方向作为分析面,采用320目的氧化铝砂纸进行表面处理,利用LIBSOPA系统进行成分分布统计表征。首先,对激发光斑和剥蚀条件进行条件优化,最终选择200 μm的激发光斑、10个预剥蚀脉冲10个剥蚀脉冲进行实验,并建立了钛合金中C,Al,V,Fe,Si和Ti六个元素的校准曲线（其中Si元素主要来自活性剂）;然后对钛合金焊接样品进行了区域扫描,并对元素含量和分布状态进行了统计表征。同时,在钛合金焊接样品的不同部位进行分区取样,采用高频红外法分析C元素含量,并与LIBSOPA结果进行比对,两种测试方法结果吻合。元素Al,V,Fe,Si和Ti分布结果与微束X荧光光谱法对应性较好。运用LIBSOPA 技术实现了对钛合金母材、熔合区、焊缝中多元素的成分分布表征,为快速判定钛合金焊缝中成分及分布状态提供了全新的评价表征手段。     

广元千佛崖石窟石刻彩妆颜料的分析

四川省广元千佛崖石窟是四川境内最大的石窟寺和摩崖造像群,承载着古代社会的历史信息,对研究当时的政治、文化和社会生活意义重大。千佛崖石窟在自然环境因素的长期作用下,目前受到多种严重病害的侵蚀,亟待保护。为了获取石刻彩妆的成分与工艺信息以支撑彩妆的保护工作,应用X射线衍射分析、剖面显微分析、扫描电镜能谱分析、激光拉曼光谱分析等方法,对广元千佛崖8处洞窟的已脱落彩妆颜料层样品进行了分析。X射线衍射分析鉴定出了铁红(Fe₂O₃)、朱砂 (HgS)、铅丹(Pb₃O₄)、炭黑等颜料成分,以及铅白 (PbSO₄)、石膏(CaSO₄·2H₂O)、长石、二氧化硅等打底层和岩体的组分,验证了样品脱落的原因是岩体的劣化。剖面显微分析和扫描电镜能谱分析表明,不同洞窟的彩妆制作工艺有区别,有的颜料直接施加在岩体表面,有的则在颜料层和岩体间有一层主要为硫酸铅的打底层;样品表面蓝绿色颜料的含量很少,仅通过激光共聚焦显微拉曼光谱成功地识别出来,其鉴定结果为蓝铜矾[Cu₄SO₄(OH)₆·2H₂O]。蓝铜矾作为颜料使用的报道很少。由于其矿物含量较少但分布广泛,古代一般不将其分离出来单独使用,而人工合成的碱式硫酸铜类颜料布勒门绿（Bremen green）出现于18世纪-19世纪,如果有纯碱式硫酸铜单独使用的情况出现,就意味着有近现代重绘的可能性,将有助于彩绘类文物保存历史的判断。该研究不仅为千佛崖石刻彩妆的保护提供了依据,丰富了文化遗产中使用蓝铜矾颜料的案例,更对彩妆的保存历史研究有潜在价值。     

基于PCA的土壤Cd含量高光谱反演模型对比研究

土壤重金属污染对人类健康造成了极大的威胁,如何快速摸清土壤污染情况尤为重要。高光谱遥感具备光谱分辨率高,快速无损等优势,使其在土壤组分反演方面具有巨大的潜力。针对高光谱信息冗余及光谱变换对土壤镉（Cd）含量估算的影响进行分析,并利用变换前后的高光谱数据对比研究了不同高光谱模型对土壤Cd含量反演的性能。首先利用等离子体质谱法和FieldSpec4地物光谱仪收集了56组土壤样品的Cd含量和对应的高光谱曲线（350～2 500 nm）;为了弱化光谱测定中光亮变化和土壤表面凹凸对实验结果的影响,研究对高光谱数据进行倒数对数预处理;考虑到高光谱数据中存在大量的信息冗余,研究采用了主成分分析（PCA）对高光谱数据进行降维处理并最终保留了前12个主成分量作为特征变量。针对高光谱反演模型,研究选择了偏最小二乘（PLSR）、支持向量机（SVM）、人工神经网络（ANN）和随机森林（RF）四种回归模型建立PCA主成分与Cd含量之间的关系;最后,研究选取了决定系数（R2）、均方根误差（RMSE）和RPD三种精度评估指标评估回归模型的拟合精度,结果表明针对光谱采用PCA波段降维的方法处理后,选取的12个主成分对变化前后的光谱累计贡献率均达到99.99%,作为模型的输入变量,四种模型均具有一定的预测能力。无论光谱变换与否,PCA-RF反演模型的预测能力均为最好（R2分别为0.856和0.855,RPD均高达3.39）。利用PCA对高光谱数据降维处理可以有效降低高光谱数据冗余,有力的保证模型的预测能力。以PCA筛选出的主成分量可以作为模型极好的输入变量,以RF为基础的高光谱反演模型在反演土壤Cd含量时具有最佳效果,可为该区域及类似地区的土壤重金属污染物反演提供新的方法支撑。     

地球化学样品中有机碳的光谱分析

有机碳已成为多目标地球化学调查、土地质量地球化学调查等项目研究的必测指标,对有机碳的准确定量是地球化学调查工作的重要内容,准确测定有机碳含量具有重要意义。然而传统的重量法、容量法流程长、速度慢,已经不能满足大批量及快速测定地球化学样品的要求。采用稀盐酸去除样品中的无机碳,应用高频红外碳硫分析仪对不同类型地球化学样品中有机碳的测定进行了研究,着重从称样量、酸的选择、最佳浓度及用量、助熔剂的选择和最佳加入量进行对比实验,优化出适合分析地球化学样品中有机碳含量的条件,并采用国家一级地球化学标准物质建立校准曲线,建立盐酸预处理-红外吸收光谱法测定地球化学样品中有机碳含量的分析方法。结果表明：陶瓷坩埚经1 200 ℃灼烧处理可以有效降低碳空白,减小对分析结果的影响;选择50.0～70.0 mg称样量,测试准确度高且样品熔融时不易喷溅;0.40～0.60 mL稀盐酸（1+7）除尽样品中的无机碳同时减少有机碳流失损失;0.40～0.50 g纯铁屑和1.50～1.70 g钨粒作为助熔剂,助熔效果稳定;采用国家一级地球化学标准物质建立校准曲线,校准曲线线性良好（R2=0.998 5）。该方法的检出限为69 μg·g-1,测定结果的相对标准偏差（RSD,n=12）均小于8%。经63个不同类型国家一级地球化学标准物质（土壤、岩石、水系沉积物）验证,测定结果与标准值相符。本方法操作简便,检出限低,灵敏度高,结果准确可靠,适用于地球化学样品中有机碳含量的测定。     

光纤传能的移动式激光诱导击穿光谱钢铁快速检测与分类

为了实现工业现场对特种钢材的快速检测与种类识别,采用基于光纤传能的移动式激光诱导击穿光谱（LIBS）样机对14种特种钢材进行光谱数据的采集与分析,采用预选谱线并遍历组合的降维方法与支持向量机(SVM)相结合的算法对特钢材料的光谱进行快速分类。分别将原始光谱数据、归一化处理后的光谱数据、归一化处理+遍历组合优选谱线数据作为SVM分类模型的输入向量,并对比了不同输入向量下模型对特钢识别的准确度。结果表明：在事先选出的51条特征谱线作为输入变量的基础上,归一化光谱数据作为SVM分类模型的输入特征时,识别准确度达到95.71%,明显高于使用原始光谱数据作为输入向量时SVM分类模型的准确度11.43%。进一步地,使用MATLAB程序遍历谱线组合,通过遍历各种谱线组合选出最优的输入谱线组合,当优选6条特定的谱线时,对特钢种类识别的准确度达到100%,且建模速度也有相应提升。可以看出,当预选出大量常见特征数据时,机器自动选取特征与人工挑选谱线相比,具有明显优势,基于此降维方法的SVM算法模型在LIBS快速分类技术中具有很好的工业应用前景。     

依据光谱研究闪电回击通道核心的特征参数

闪电回击通道核心中的大电流及其强电磁辐射是引发多种雷电灾害的主要根源。随着现代科技的飞速发展,闪电防护工作显得越为重要。为了完善闪电防护系统,需要从描述闪电回击通道核心的特征参数入手深入研究闪电通道形成和发展过程的微观物理机制。截至目前,光谱观测是获取闪电通道核心特征参数的最佳手段。2015年夏天在青海高原地区的野外试验中,利用由高速摄像机作为记录系统组装的无狭缝光栅摄谱仪,结合快天线地面电场测量仪,记录到一次包括四个回击的云地闪电放电过程的光谱以及与之同步的快电场变化信息。依据光谱,结合等离子体理论计算得到闪电回击通道核心的电导率。在此基础上,应用闪电电动力学模型计算了闪电回击速度、峰值电流、贯穿通道核心的电磁场以及通道核心单位长度的峰值功率等特征参数。结果表明,回击速度在(1.2～2.3)×108 m·s-1的范围内;贯穿回击通道核心的轴向电场、径向电场和磁感应强度的最大值分别在(1.42～1.74)×105 V·m-1,(8.22～9.99)×108 V·m-1和(1.51～2.83) T的范围内。当闪电回击的峰值电流在(7.52～24.05) kA的范围内时,回击通道核心的峰值功率在(0.63～1.92)×109 W·m-1的范围内。另外,分析了电导率、起始电场峰值、回击速度和峰值电流与峰值功率之间的相关性,结果发现峰值电流和峰值功率具有良好的线性关系。研究结果可为探索闪电回击通道形成和发展过程的微观物理机制提供参考依据。     

不同水文情形下巢湖有色可溶性有机物来源及分布特征

于2018年1月(枯水)、4月(平水)、7月(丰水)对巢湖开展野外观测,探讨不同水文条件下有色可溶性有机物(CDOM)的光谱组成结构及分布特征。结果表明丰水期巢湖溶解性有机碳(DOC)均值(3.90±0.40) mg·L-1与枯水期均值(3.89±0.19) mg·L-1无显著差异(t-test, p>0.05),丰水期S_275～295均值(21.48±1.56) μm-1显著大于枯水期均值(19.24±0.98) μm-1(t-test, p<0.001)。平行因子分析得到了4个荧光组分,分别为短波类腐殖质组分C1、类色氨酸组分C2、类酪氨酸组分C3和长波类腐殖质组分C4。TP,TN,Chl-a和DOC浓度与短波类腐殖质组分C1、长波类腐殖质组分C4都呈显著正相关(p<0.01);DOC与类色氨酸组分C2也存在一定正相关(p<0.05)。此外巢湖CDOM的组成与来源有明显的季节差异性,丰水期陆源类腐殖酸输入是巢湖西部湖区CDOM库主要贡献源;平水期湖泊藻类生物降解为重要贡献源。为有效保护巢湖水质,应对十五里河及南淝河流域实施一定的管控措施。     

高岭石粒度对Pickering乳液稳定性的影响

固体乳化剂颗粒粒径是影响Pickering乳液稳定性的重要因素.本文以去离子水为水相,液体石蜡为油相,高岭石为乳化剂制备水包油型Pickering乳液,研究了高岭石粒度对乳液稳定性的影响.结果表明:高岭石颗粒与乳液液滴大小之间的匹配特征不仅影响乳化剂与乳液分散相表面之间的作用强度,而且影响其在连续相中形成网络结构的特征,进而影响乳液稳定性.高岭石粒度对乳液稳定的影响存在最佳值,当高岭石颗粒粒度D90值为1.42μm时,乳液粘度为378 mPa·s,乳液液滴粒径均匀,乳化剂颗粒在油水界面有序紧密分布,颗粒在连续相所形成三维网络结构趋于牢固,乳液稳定性好.当乳化剂颗粒粒度较小时,体系中的颗粒易受布朗运动因素影响,乳液液滴聚并速度快,乳液粘度低;而当乳化剂颗粒粒度较大时,油水界面上以及连续相中的颗粒易受自身重力的影响发生沉降,破坏三维网络结构,导致乳液粘度降低,乳液稳定性变差.     

Viscosity and stress autocorrelation function in supercooled water: a molecular dynamics study

Following Guo, G.-J., and Zhang, Y.-G., 2001, Molec. Phys., 99, 283, which calculates the bulk and shear viscosities of SPC/E water at 30°C and 0.999 g cm^?3, further molecular dynamics simulations have been performed at state points of 0°C, ?20°C, ?40°C, and ?60°C along an approximate isobar with the previous state point. SACF and BACF (stress autocorrelation functions related to shear and bulk viscosities, respectively) of high precision have been obtained and compared for their similarities and differences. Shear and bulk viscosities calculated from them showed an increased deviation from real water with decreasing temperature. These correlation functions were then fitted using a uniform two-step relaxation function including a fast oscillatory Kohlrausch law and a slow straightforward Kohlrausch law. The fitting parameters of SACF and BACF have been analysed in detail, and several interesting dynamic phenomena were observed. (1) The oscillation frequency of SACF (44 ~ 48ps^?1) for short time intervals agrees with the stretching mode of hydrogen bonds, while that of BACF (7 ~ 12ps^?1) agrees with the bending mode of hydrogen bonds. (2) With decreasing temperature, the slow relaxation fraction of the BACF increases, while that of the SACF remains constant. (3) The exponents β in the Kohlrausch laws with values greater than 1 are obtained for BACF at ambient temperatures. (4) With regard to both shear and bulk viscosities, the slow relaxation time largely increases with decreasing temperature, while the fast relaxation time slightly decreases. These phenomena are qualitatively explained and discussed.     

TDICCD拼接相机的像元响应非均匀性校正方法

为了解决光学TDICCD成像系统在拼接模式下的像元响应非均匀性问题,研究了TDICCD像元校正的原理和实现方法。提出了视频处理器在不同增益、不同偏置和TDICCD在不同积分时间下进行像元校正的方法,设计了在现场可编程门阵列（FPGA）平台下进行了程序实现和验证的方法。实验数据分析表明：成像系统单片TDICCD的非均匀性由4.72%降低到0.27%,恶劣环境下TDICCD成像系统的图像非均匀性可以降低2.55%。该像元级校正算法简单,可靠性高,能够满足星上成像的要求;在不同的增益、偏置和积分时间下能够很好地解决TDICCD成像系统的像元响应非均匀性问题。