显微CT技术用于隋唐礼冠腐蚀饰件的结构研究
时间：2023-02-16 09:20:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
杜静楠，杨军昌，2，3，卢艳平
[1. 西北工业大学文化遗产研究院，陕西西安 710072；
2. 西北工业大学材料学院，陕西西安 710072；
3. “一带一路”文化遗产科技保护国际联合研究中心(西北工业大学)，陕西西安 710072；
4. 重庆真测科技股份有限公司，重庆 401332]
隋唐命妇礼冠是一类特殊的文物，从时代和制度的角度来说，它们有总结前朝女性冠饰形制，并影响后世制度制定的承上启下的特性，让女性冠饰和男性冠饰一样具有了“名贵贱，等秩序”的作用[1-2]。这些冠饰都是该时贵族妇女所佩戴的，出土实物和图像资料较少，因此出土文物珍贵，有损分析虽有开展[3-4]但数量不多，现有研究成果主要基于无损的宏观与显微观察，或是利用无损的成分分析手段取得[5-11]。隋唐礼冠由不同材质的饰件组合而成，且组成礼冠饰件构件的尺寸小、工艺多样，比如隋炀帝萧后冠、西安昆仑公司发现的隋末唐初M2出土礼冠、唐阎识微夫妇墓出土裴氏冠等。笔者所在团队在对这些冠饰开展保护修复研究的过程中发现，这些礼冠饰件大多保存状况较差、劣化严重，劣化产物与泥土的混合物覆盖表面，影响我们对饰件的技术研究。
为了了解冠饰的内部情况，探查冠饰内部的显微结构，获取饰件原始结构信息，本研究引入了显微CT技术，亦称为micro-CT、微焦点CT或者微型CT[12]、μ-CT、X射线微断层摄影术[13]。它在医学、地质学和材料学等领域获得了广泛的应用，但针对文物材料的学术研究却很少[14]，或是所用CT技术不具备显微功能[15]。该非侵入观察技术能逐层扫描到样品的微观结构，并根据一定的算法进行三维图像重建[16-17]，获得内部高分辨率的三维结构信息。高分辨率显微CT无疑能为珍贵文物内部探视提供最先进的检测手段。
本研究以裴氏冠和昆仑M2妇女冠上的金属饰件各一为样品，依托重庆真测科技股份有限公司，通过X射线显微CT技术，无损探测冠饰件内部结构。
显微CT(micro-CT)的基本结构由三个部分组成：X射线源、可旋转载物台和高分辨率探测器(图1)。锥形X射线束由X射线源出发，穿过在载物台上的样品并被其部分吸收，剩余未被吸收的X射线则被高分辨率探测器收集，最终在计算机中经由一定算法显示出某一角度的二维图像。X射线信号伴随样品的旋转源源不断地生成不同角度和层次的二维图像，这些二维图像则又通过投影和图像重建算法再现为三维图像。
图1 显微CT的基本结构及成像原理图[13]Fig.1 Basic structure and imaging principle diagram of micro-CT
与单纯的X射线摄影相比，CT可以揭示更多关于样品内部微观结构的详细信息。而micro-CT又可以提供高分辨率二维截面图像和三维数值模型重建，micro-CT对样品的要求主要有材质和尺寸两方面。由于是利用X射线对样品进行扫描并获得内部微观结构信息的，这就使得样品的材质必须能被X射线穿透且尺寸需符合微观观察的要求，密度更大的金属物体需要更高的能量，且会导致分辨率方面有所下降[15，18]。相较于一般CT，micro-CT具有更高的空间分辨率，耗损更低的能量和电流，特别适合研究毫米级别内的小体积物体[19]。
2.1 实验样品
本研究的样品为裴氏冠饰件GCG002和昆仑M2冠饰件XY-8(图2)。裴氏冠出土于西安马家沟，是阎识微夫人裴氏的礼冠，主要材质为纯铜鎏金[20]。昆仑M2冠饰件出土于西安昆仑公司基建时发现的墓葬内，缺少墓主人信息，饰件样品材质基体经表面检测推测为鎏金纯铜和黄铜[21]，镶嵌有珍珠和钾钙硅酸盐玻璃[2，22]。
图2 实验样品Fig.2 Experimental samples
2.2 实验设备
本研究使用的是型号为CD-130BX μ-CT(重庆真测科技股份有限公司)的micro-CT扫描设备，能量150 kV，电流66 μA，X射线波长在0.012～0.050 nm范围内，属于硬X射线。针对裴氏冠饰件样品的CCD探测器的空间分辨率为30.0 μm，曝光时间为500 ms，扫描角度为360°。针对昆仑冠饰件样品的CCD探测器的空间分辨率为100.0 μm，曝光时间为800 ms，扫描角度为360°。
3.1 裴氏冠饰件GCG002
采用micro-CT扫描了GCG002的一小部分，获得了高分辨率的内部特征信息(图3)，呈现了样品的三个不同维度的扫描结果。这三个扫描面互相垂直，图3d是这样不同维度各层扫描后的拟合结果。图3a～图3c可见GCG002被扫描部分的内部结构，所显示出的不同灰度值可在一定情况下说明材料的区别，肉眼观察图片可见约四种明显不同的组织，结合以往的研究结果，样品表面的高亮薄封层和内部的灰色使得这个鎏金纯铜饰件的鎏金层的情况可以被清楚地观察到，根据图片可以估测GCG002的鎏金层厚度约为40 μm，金属粒和金属丝的深灰色和灰色区域表明它们被严重腐蚀，颗粒之间与焊丝连接处为浅灰色参杂灰色的物质，该物质应与基体被腐蚀的纯铜材质不同，结合以往研究，推测是焊接用的焊料，后经有损分析，推测是银铜焊料。整体来看可知GCG002是先焊接成一个整体再进行鎏金的。
图3 裴氏冠饰件GCG002的micro-CT结果Fig.3 Micro-CT results of Lady Pei’s Crown ornament GCG002
为了使结果更直观，图片还进行了颜色的拟合(图4)，虽然micro-CT不能直接确定具体材质，但是不同的颜色能更直观地表达出材料的区别。根据图片和以往成分分析结果推测GCG002样品中蓝色包裹紫色的部分为鎏金层，黄色部分主要为铜的锈蚀产物，绿色部分为纯铜，蓝色与绿色混杂的部分是银铜焊料。由于金(密度19.32 g/cm3)、银(密度10.49 g/cm3)和铜(密度8.96 g/cm3)的密度区别明显，同等强度的X射线穿透这些不同金属的能力区别明显，所以在之后的研究中仅通过颜色也可以对材质做出大致的判断。不过需要注意的是，X射线穿透力与样品自身厚度也有关系，所测物品需注意整体的厚度差别是否过大。
图4 裴氏冠饰件GCG002的micro-CT色彩处理结果Fig.4 Micro-CT color simulation of Lady Pei’s Crown ornament GCG002
3.2 昆仑冠饰件XY-8
本研究又对昆仑M2冠饰件XY-8进行了micro-CT拍照(图5)，从中可以观察到饰件背后的支撑环也是以焊接的形式结合于饰件整体，且制作支撑环用的铜片表面不平整。除此之外也可以观察到鎏金层和铜锈蚀，但是XY-8的锈蚀程度比GCG002的要低，基体保存状况更好。
图5 昆仑M2冠饰件XY-8杏叶饰部分micro-CT结果Fig.5 Micro-CT results of Kunlun M2 Crown ornament XY-8
为了观察micro-CT对饰件整体的观测能力，还对昆仑M2冠饰件XY-8杏叶饰整体做了CT扫描和三维重建并做以色彩拟合处理。其中图6a是XY-8杏叶饰整体的平面图，当因观测范围放大导致样品厚度差别较大且材料复合程度增加时，micro-CT的色彩拟合对材质的区分并不明显，更多是材质和厚度同时对X射线穿透能力产生了影响，特别是饰件外围的一圈“连珠纹”虽然和内部一样都是鎏金纯铜，但是这部分的纯铜厚度较大，显示出了紫色乃至深红色。
图6 昆仑M2冠饰件XY-8杏叶饰整体micro-CT色彩处理结果Fig.6 Micro-CT color simulation of Kunlun M2 Crown ornament XY-8
检测结果显示了裴氏冠饰件GCG002和昆仑M2冠饰件XY-8杏叶饰的内部显微结构，二者均能观察到明显的表面封层、基体、锈蚀和焊接痕迹。结合以往研究可基本确定它们是鎏金层、铜基体和铜锈蚀，裴氏冠的焊料为银铜硬焊料，昆仑冠的焊料不明，在制作时不同形式的铜基体(铜片、铜丝、铜珠粒)是先焊接在一起后再通体鎏金的。这两件隋唐时期的冠饰基体制作在选材和工艺上具有高度的一致性。
通过micro-CT还可以观察到微观的锈蚀形态，而且可以看到裴氏冠饰件GCG002比昆仑M2冠饰件XY-8杏叶饰内部的锈蚀更为严重。
在观察的范围足够小且样品整体的厚度较为均匀的情况下，micro-CT的色彩拟合处理可以很直观地表现出复合材质样品中不同密度材料的区别，结合形貌的观察可以得到更多文物内部细节信息。而当观察范围较大且厚度差别较大时，micro-CT的色彩拟合直接受X射线穿透样品的能力影响，即同时受材质和样品厚度尺寸的影响。
以往因无损科学分析手段有限，冠饰件类文物的内部细节情况无法获知，而通过micro-CT可以观察文物样品内部的微观详细信息，结合表面成分分析可以无损地对被测样品的材质、工艺和保存情况做出以往靠有损分析才能做出的判断。相信随着CT技术的不断发展，未来可以获取更加详细的文物内部信息，同时服务于文物和文物保护研究。
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