顯微CT技術用于隋唐禮冠腐蝕飾件的結構研究

杜靜楠，楊軍昌，2，3，盧艷平

[1. 西北工業大學文化遺產研究院，陜西西安 710072； 2. 西北工業大學材料學院，陜西西安 710072；3. “一帶一路”文化遺產科技保護國際聯合研究中心(西北工業大學)，陜西西安 710072；4. 重慶真測科技股份有限公司，重慶 401332]

0 引 言

隋唐命婦禮冠是一類特殊的文物，從時代和制度的角度來說，它們有總結前朝女性冠飾形制，并影響后世制度制定的承上啟下的特性，讓女性冠飾和男性冠飾一樣具有了“名貴賤，等秩序”的作用[1-2]。這些冠飾都是該時貴族婦女所佩戴的，出土實物和圖像資料較少，因此出土文物珍貴，有損分析雖有開展[3-4]但數量不多，現有研究成果主要基于無損的宏觀與顯微觀察，或是利用無損的成分分析手段取得[5-11]。隋唐禮冠由不同材質的飾件組合而成，且組成禮冠飾件構件的尺寸小、工藝多樣，比如隋煬帝蕭后冠、西安昆侖公司發現的隋末唐初M2出土禮冠、唐閻識微夫婦墓出土裴氏冠等。筆者所在團隊在對這些冠飾開展保護修復研究的過程中發現，這些禮冠飾件大多保存狀況較差、劣化嚴重，劣化產物與泥土的混合物覆蓋表面，影響我們對飾件的技術研究。

為了了解冠飾的內部情況，探查冠飾內部的顯微結構，獲取飾件原始結構信息，本研究引入了顯微CT技術，亦稱為micro-CT、微焦點CT或者微型CT[12]、μ-CT、X射線微斷層攝影術[13]。它在醫學、地質學和材料學等領域獲得了廣泛的應用，但針對文物材料的學術研究卻很少[14]，或是所用CT技術不具備顯微功能[15]。該非侵入觀察技術能逐層掃描到樣品的微觀結構，并根據一定的算法進行三維圖像重建[16-17]，獲得內部高分辨率的三維結構信息。高分辨率顯微CT無疑能為珍貴文物內部探視提供最先進的檢測手段。

本研究以裴氏冠和昆侖M2婦女冠上的金屬飾件各一為樣品，依托重慶真測科技股份有限公司，通過X射線顯微CT技術，無損探測冠飾件內部結構。

1 X射線顯微CT原理

顯微CT(micro-CT)的基本結構由三個部分組成：X射線源、可旋轉載物臺和高分辨率探測器(圖1)。錐形X射線束由X射線源出發，穿過在載物臺上的樣品并被其部分吸收，剩余未被吸收的X射線則被高分辨率探測器收集，最終在計算機中經由一定算法顯示出某一角度的二維圖像。X射線信號伴隨樣品的旋轉源源不斷地生成不同角度和層次的二維圖像，這些二維圖像則又通過投影和圖像重建算法再現為三維圖像。

圖1 顯微CT的基本結構及成像原理圖[13]Fig.1 Basic structure and imaging principle diagram of micro-CT

與單純的X射線攝影相比，CT可以揭示更多關于樣品內部微觀結構的詳細信息。而micro-CT又可以提供高分辨率二維截面圖像和三維數值模型重建，micro-CT對樣品的要求主要有材質和尺寸兩方面。由于是利用X射線對樣品進行掃描并獲得內部微觀結構信息的，這就使得樣品的材質必須能被X射線穿透且尺寸需符合微觀觀察的要求，密度更大的金屬物體需要更高的能量，且會導致分辨率方面有所下降[15，18]。相較于一般CT，micro-CT具有更高的空間分辨率，耗損更低的能量和電流，特別適合研究毫米級別內的小體積物體[19]。

2 實驗樣品與設備

2.1 實驗樣品

本研究的樣品為裴氏冠飾件GCG002和昆侖M2冠飾件XY-8(圖2)。裴氏冠出土于西安馬家溝，是閻識微夫人裴氏的禮冠，主要材質為純銅鎏金[20]。昆侖M2冠飾件出土于西安昆侖公司基建時發現的墓葬內，缺少墓主人信息，飾件樣品材質基體經表面檢測推測為鎏金純銅和黃銅[21]，鑲嵌有珍珠和鉀鈣硅酸鹽玻璃[2，22]。

圖2 實驗樣品Fig.2 Experimental samples

2.2 實驗設備

本研究使用的是型號為CD-130BX μ-CT(重慶真測科技股份有限公司)的micro-CT掃描設備，能量150 kV，電流66 μA，X射線波長在0.012～0.050 nm范圍內，屬于硬X射線。針對裴氏冠飾件樣品的CCD探測器的空間分辨率為30.0 μm，曝光時間為500 ms，掃描角度為360°。針對昆侖冠飾件樣品的CCD探測器的空間分辨率為100.0 μm，曝光時間為800 ms，掃描角度為360°。

3 結果與討論

3.1 裴氏冠飾件GCG002

采用micro-CT掃描了GCG002的一小部分，獲得了高分辨率的內部特征信息(圖3)，呈現了樣品的三個不同維度的掃描結果。這三個掃描面互相垂直，圖3d是這樣不同維度各層掃描后的擬合結果。圖3a～圖3c可見GCG002被掃描部分的內部結構，所顯示出的不同灰度值可在一定情況下說明材料的區別，肉眼觀察圖片可見約四種明顯不同的組織，結合以往的研究結果，樣品表面的高亮薄封層和內部的灰色使得這個鎏金純銅飾件的鎏金層的情況可以被清楚地觀察到，根據圖片可以估測GCG002的鎏金層厚度約為40 μm，金屬粒和金屬絲的深灰色和灰色區域表明它們被嚴重腐蝕，顆粒之間與焊絲連接處為淺灰色參雜灰色的物質，該物質應與基體被腐蝕的純銅材質不同，結合以往研究，推測是焊接用的焊料，后經有損分析，推測是銀銅焊料。整體來看可知GCG002是先焊接成一個整體再進行鎏金的。

圖3 裴氏冠飾件GCG002的micro-CT結果Fig.3 Micro-CT results of Lady Pei’s Crown ornament GCG002

為了使結果更直觀，圖片還進行了顏色的擬合(圖4)，雖然micro-CT不能直接確定具體材質，但是不同的顏色能更直觀地表達出材料的區別。根據圖片和以往成分分析結果推測GCG002樣品中藍色包裹紫色的部分為鎏金層，黃色部分主要為銅的銹蝕產物，綠色部分為純銅，藍色與綠色混雜的部分是銀銅焊料。由于金(密度19.32 g/cm3)、銀(密度10.49 g/cm3)和銅(密度8.96 g/cm3)的密度區別明顯，同等強度的X射線穿透這些不同金屬的能力區別明顯，所以在之后的研究中僅通過顏色也可以對材質做出大致的判斷。不過需要注意的是，X射線穿透力與樣品自身厚度也有關系，所測物品需注意整體的厚度差別是否過大。

圖4 裴氏冠飾件GCG002的micro-CT色彩處理結果Fig.4 Micro-CT color simulation of Lady Pei’s Crown ornament GCG002

3.2 昆侖冠飾件XY-8

本研究又對昆侖M2冠飾件XY-8進行了micro-CT拍照(圖5)，從中可以觀察到飾件背后的支撐環也是以焊接的形式結合于飾件整體，且制作支撐環用的銅片表面不平整。除此之外也可以觀察到鎏金層和銅銹蝕，但是XY-8的銹蝕程度比GCG002的要低，基體保存狀況更好。

圖5 昆侖M2冠飾件XY-8杏葉飾部分micro-CT結果Fig.5 Micro-CT results of Kunlun M2 Crown ornament XY-8

為了觀察micro-CT對飾件整體的觀測能力，還對昆侖M2冠飾件XY-8杏葉飾整體做了CT掃描和三維重建并做以色彩擬合處理。其中圖6a是XY-8杏葉飾整體的平面圖，當因觀測范圍放大導致樣品厚度差別較大且材料復合程度增加時，micro-CT的色彩擬合對材質的區分并不明顯，更多是材質和厚度同時對X射線穿透能力產生了影響，特別是飾件外圍的一圈“連珠紋”雖然和內部一樣都是鎏金純銅，但是這部分的純銅厚度較大，顯示出了紫色乃至深紅色。

圖6 昆侖M2冠飾件XY-8杏葉飾整體micro-CT色彩處理結果Fig.6 Micro-CT color simulation of Kunlun M2 Crown ornament XY-8

4 結 論

檢測結果顯示了裴氏冠飾件GCG002和昆侖M2冠飾件XY-8杏葉飾的內部顯微結構，二者均能觀察到明顯的表面封層、基體、銹蝕和焊接痕跡。結合以往研究可基本確定它們是鎏金層、銅基體和銅銹蝕，裴氏冠的焊料為銀銅硬焊料，昆侖冠的焊料不明，在制作時不同形式的銅基體(銅片、銅絲、銅珠粒)是先焊接在一起后再通體鎏金的。這兩件隋唐時期的冠飾基體制作在選材和工藝上具有高度的一致性。

通過micro-CT還可以觀察到微觀的銹蝕形態，而且可以看到裴氏冠飾件GCG002比昆侖M2冠飾件XY-8杏葉飾內部的銹蝕更為嚴重。

在觀察的范圍足夠小且樣品整體的厚度較為均勻的情況下，micro-CT的色彩擬合處理可以很直觀地表現出復合材質樣品中不同密度材料的區別，結合形貌的觀察可以得到更多文物內部細節信息。而當觀察范圍較大且厚度差別較大時，micro-CT的色彩擬合直接受X射線穿透樣品的能力影響，即同時受材質和樣品厚度尺寸的影響。

以往因無損科學分析手段有限，冠飾件類文物的內部細節情況無法獲知，而通過micro-CT可以觀察文物樣品內部的微觀詳細信息，結合表面成分分析可以無損地對被測樣品的材質、工藝和保存情況做出以往靠有損分析才能做出的判斷。相信隨著CT技術的不斷發展，未來可以獲取更加詳細的文物內部信息，同時服務于文物和文物保護研究。