泥塑文物表面有機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 省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730050 2.蘭州理工大學 有色金屬合金及加工教育部重點實驗室，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，延長文物的保存壽命。以甘肅西部敦煌研究院保護的天梯山石窟為例（見圖1），高28 m的大型佛像在露天保護過程中，大量鳥糞類有機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、硝酸鉀等成分會對文物表面產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化和擴散作用的影響下，會形成硬度約為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，應用于泥塑文物清洗的方法主要有水蒸汽清洗法、化學清洗法、粒子噴射清洗法、激光清洗方法等。但是，常規的化學清洗或機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域得到了一些典型應用[6-12]。例如J.F.Asums等[13-14]和張秉堅等[15]研究了文物表面污物的清洗技術及其清洗效果，得出激光清洗精度高，效果遠好于以往清洗技術。蔣德賓等[16]使用激光清洗技術去除青銅器表面的污物及有害物質中發現青銅器表面的污染物被有效去除并且會形成一道可以有效保護青銅器本身的致密薄膜。S.Siano等[17-18]對金屬類文物進行系統性清洗試驗，結果表明調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，因此相關研究較少，還需要針對清洗機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，提出最優的激光清洗模式與工藝過程，為泥塑文物保護過程中的激光清洗工藝提供理論依據與參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗選用敦煌佛像制土和甘肅當地鳥類排泄物，模擬泥塑文物表面有機污物制樣，有機污物層厚約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，激光器參數為：激光器波長1 064 nm；激光功率調節范圍0～20 W；激光脈沖寬度調節范圍1～350 ns；脈沖頻率調節范圍10～2 000 kHz；最小光斑直徑30 μm；焦距210 mm；輸出光束質量M2≤1.3；工作時電力需求為220V±22V/50 Hz/12 A；設備冷卻方式采用高精度恒溫（閉環風冷）；工作溫度范圍0～40℃。實驗中激光器參數為：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。采用上述激光參數作用到試樣表面的有機污物層，使用OLYMPUS i-speed3型高速攝像機和工業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光，并用HSX-F300型氙燈作為輔助光源。實驗系統如圖3所示。

圖3 實驗系統示意Fig.3 Experimental system diagram

2 試驗結果與分析

2.1 有機污物層燒蝕去除過程分析

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

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

對于激光清洗有機污物層過程出現燒蝕去除分析如下：當脈沖激光作用到泥塑表面有機污物層時，激光作用區域有機污物層會瞬間吸收激光能量，有機污物層接收的激光能量將轉化為熱能，有機污物層溫度將會快速升高，達到其燃點，所產生的熱效應會破壞有機污物層自身結構，將其從泥塑表面去除，示意圖如圖5所示。

圖5 激光作用到有機污物層上燒蝕效應示意圖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污物層時，當激光能量密度達到0.265 J/cm2時，會產生燒蝕去除現象，去除過程出現燃燒現象并伴隨大量煙塵產生，激光清洗結束后，泥塑文物表面激光作用區域出現燒蝕后的黑斑。

2.2 有機污物層振動去除過程分析

當激光能量密度為0.371 J/cm2時，通過高速攝像采集系統拍攝到清洗過程中有機污物出現振動去除現象，同樣進行分幀處理，處理完成圖片如圖6所示。圖6a是激光光束作用到有機污物層，有機污物層出現開裂現象；由圖6b、6c可以看到，有機污物層在激光繼續作用下出現顆粒狀飛濺。圖6d是有機污物層激光作用區域噴濺去除后的形貌。

圖6 有機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污物層時，有機污物層出現振動去除現象的原因如下：實驗中采用納秒脈沖激光，當單個脈沖作用到有機污物層表面時，有機污物層和泥塑文物基底吸收激光的能量，但是由于作用時間極短，有機污物層和泥塑文物基底層的加熱和冷卻過程都是瞬時完成，產生的熱膨脹作用會使有機污物層和泥塑文物基底界面處產生較大的應力梯度，從而引起振動波，在界面處形成的熱應力大于有機污物層與泥塑文物基底表面的粘合力，最終導致有機污物層從泥塑文物基底上被剝落掉，產生開裂和噴濺去除現象。有機污物層振動去除效應如圖7所示。

圖7 有機污物層振動效應示意圖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污物過程中會出現燒蝕去除現象和振動去除現象，當激光能量密度達到0.265 J/cm2時，出現燒蝕去除現象，當激光能量密度達到0.371 J/cm2時，振動去除現象更加明顯。對于激光清洗泥塑文物表面有機污物過程中無論出現燒蝕去除還是振動去除，都有一定的效果。因此可以采用不同的去除形式相結合的方法，達到最佳的清洗效果。

2.3 激光清洗有機污物層對泥塑基體損傷行為分析

采用激光清洗技術清除文物表面的有機污物層，必須考慮這項技術在清除過程中是否會對文物本體造成損傷，這是文物保護的首要和關鍵問題。泥塑表面有機污物層去除時，難以動態實時把控去除過程，實現基體無損，這將導致泥塑表面有機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，試驗中將激光光束直接作用到未覆蓋有機污物層的泥塑基體表面，觀察泥塑基體損傷情況。

通過實驗結果觀察到當激光能量密度達到0.265 J/cm2時，泥塑基體主要出現灼燒損傷；而當激光能量密度達到0.371 J/cm2時，泥塑基體主要出現凹坑損傷，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 結論

針對泥塑文物表面有機污物的激光清洗實驗，采用激光參數為波長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，得到以下結論：

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

（2）有機污物層在激光能量密度為0.265 J/cm2時出現分解燃燒去除，去除過程中產生大量白煙。在激光能量密度為0.371 J/cm2時有機污物層出現噴濺去除，過程中出現開裂現象，并伴隨著顆粒狀飛濺，有機污物層逐漸被去除。

（3）實驗中表明，激光清洗泥塑文物表面有機污物過程中，采用靜態工藝參數很難實現泥塑文物表面有機污物完全去除且基材無損，因此后續研究需要通過對清洗過程激光能量密度調控來控制熱輸入，從而保證基材無損。