1 郑州大学材料科学与工程学院河南省高温功能材料重点实验室，郑州 10459
2 中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司先进耐火材料国家重点实验室，河南 洛阳 471039
3 中国中钢集团有限公司，北京 100080
4 昆明理工大学材料科学与工程学院，昆明 650000
新型高温热障涂层材料已成为新一代航空发动机发展的关键材料。本工作通过固相反应法合成了一种单斜结构的高熵稀土钽酸盐材料(Y0.2Gd0.2Dy0.2Ce0.2La0.2)TaO4[(5RE0.2)TaO4]，研究了其热、力学性能及抗熔融硅酸盐环境沉积物(CMAS)侵蚀性能。结果表明：(5RE0.2)TaO4具有极低的热导率(1.22 W·m-1·K-1，600 ℃)和较高的热膨胀系数(10.3×10-6 K-1，1 200 ℃)，与YSZ材料相比(2.1～2.7 W·m-1·K-1，100～900 ℃)热导率下降了近42%。由于独特的铁弹增韧效应，其断裂韧性达2.8 MPa·m1/2，优于多数新型热障涂层材料。1 350 ℃不同时间及CMAS侵蚀后，(5RE0.2)TaO4反应层厚度和渗透深度均显著小于YSZ材料，是一种极具应用潜力的新型热障涂层材料。
稀土钽酸盐 高熵陶瓷 熔融硅酸盐环境沉积物侵蚀 热障涂层 rare earth tantalate high entropy ceramics molten silicate environmental deposits corrosion r thermal barrier coating
1 国家海洋局南海规划与环境研究院, 广东 广州 510300
2 国家海洋局南海规划与环境研究院, 广东 广州 510300 中山大学海洋科学学院, 广东 广州 510275
3 中山大学海洋科学学院, 广东 广州 510275广东省海洋资源与近岸工程重点实验室, 广东 广州 510006
4 自然资源部第四海洋研究所, 广西 北海 536000
分析了西南印度洋超慢速扩张洋脊49.2°E-50.5°E热液区热液沉积物样品的矿物组成和元素地球化学特征, 结果显示研究区热液沉积物矿物组成以黄铁矿和黄铜矿为主, 还含有少量闪锌矿等, 而硅烟囱和残留氧化物分别主要由无定形硅和碳酸钙、 铁氢氧化物(如针铁矿)等矿物组成, 由热液沉积物到硅烟囱, 再到残留氧化物过渡过程中, 矿物组成中硫化物含量以及矿物结晶程度的降低, 指示了成矿温度逐渐降低的趋势。 同时, 通过XRF、 ICP-AES等手段对热液沉积物的主微量元素分析, 主微量地球化学特征指示海水的贡献逐步增大, 而热液对其影响逐步减小, 形成环境也逐步从热液羽状流环境向海相水成的低温氧化环境转变。 在稀土元素分析中, 热液沉积物中稀土元素总体含量较高, ∑REE(26.37～32.86)×10-6; 残留氧化物中稀土元素含量次之, ∑REE(5.58～30.43)×10-6; 硅烟囱中稀土元素含量较低∑REE(0.92～6.96)×10-6。 研究区样品均表现出轻稀土元素富集、 重稀土元素亏损的特征, δCe值变化范围为0.34～1.00, 具有Ce负异常特征; δEu值变化范围为0.87～4.24, 具有Eu正异常特征, 指示样品继承热液流体的部分地球化学特征的同时, 又受到了海水的明显影响, 稀土来源具有多样性的特征。 综合分析表明, 研究区由于受制于较弱的热液活动, 以中低温为主的成矿环境, 成矿流体主要起源于海水, 因此成矿过程受海水混合作用影响较大。
热液沉积物 主量元素 微量元素 地球化学特征 成因 西南印度洋中脊 Hydrothermal sediments The main element The trace element Geochemical characteristics Genesis Southwest indian ocean ridge 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2868
1 齐鲁工业大学（山东省科学院）, 山东省科学院海洋仪器仪表研究所, 山东 青岛 266061
2 齐鲁工业大学（山东省科学院）, 山东省科学院海洋仪器仪表研究所, 山东 青岛 266061中国石油大学(华东)计算机科学与技术学院, 山东 青岛 266590
海洋沉积物的粒度研究有助于了解人类活动对自然环境的影响。 将主成分分析(PCA)和连续投影算法(SPA)融合能够综合利用两种光谱特征提取方法的优势, 获得比单一特征提取方法更丰富的特征波长, 实现无关特征和干扰信息的剔除, 最大限度减少特征信息的丢失, 有利于沉积物粒度的分析。 以青岛市东大洋村潮间带表层32份沉积物为例, 将海洋沉积物划分为0.3～0.2、 0.2～0.1、 0.1～0.075和<0.075 mm四个不同粒径的沉积物样品, 分别测定不同粒径的32份沉积物的可见-近红外反射光谱, 共计128条光谱。 将128条光谱数据分别以2∶1, 1∶1和1∶2的比例划分建模集和检验集进行分析； 采用主成分分析和连续投影融合算法(FOPAS )提取不同粒径沉积物的特征光谱, 利用支持向量机算法建立粒径分类模型。 结果显示, 对2∶1、 1∶1、 1∶2比例的数据集, 融合算法检验集正确率分别为83.33%、 82.81%、 75.29%, 仅在2∶1比例下正确率低于连续投影算法检验集的正确率90.47%, 其余正确率相对于单一特征提取算法均有显著的提高, 表明使用融合算法提取特征光谱建立的分类模型在训练集样本量少, 粒径清晰的条件下, 其分类模型相较于单独使用两个特征提取算法的模型更具有优势。 采用基于主成分分析和连续投影融合算法的海洋沉积物粒度分类模型, 能够提高海洋沉积物粒度分类结果的正确率, 建立正确率更高的粒度分类模型, 对快速粒度分类提供了解决方法。
海洋沉积物 粒度分类 主成分分析 连续投影算法 融合算法 Marine sediments Particle size classification Principal component analysis Successive projection algorithm Fusion algorithm 光谱学与光谱分析
2023, 43(10): 3075
西南科技大学 核环境安全技术创新中心，四川 绵阳 621010
熔石英元件的抗激光损伤性能对高能激光器的稳定运行具有重要意义。为了提升熔石英元件抗激光损伤性能，针对传统氢氟酸蚀刻产生再沉积物的缺点，提出了采用有机氟酸蚀刻提升熔石英元件抗激光损伤性能的方法。有机氟酸蚀刻的优势在于产物具有较好的溶解性，因而产生再沉积物的可能性降低。采用有机氟酸溶液静态蚀刻熔石英元件，并对元件的表面质量、透过率和激光损伤密度进行了表征分析。表面质量和透过率的结果一致显示熔石英元件经有机氟酸蚀刻后，元件表面的再沉积物和污垢较少，表明有机氟酸具有较好的抑制再沉积物生成的效果。激光损伤密度结果显示，有机氟酸蚀刻熔石英的深度为6 μm时，元件的平均激光损伤密度为0.26 cm−2，接近先进缓释处理2（AMP2）工艺的水平。基于有机氟酸蚀刻提高熔石英元件的抗激光损伤性能为激光负载能力的提升开辟了一条新途径。
有机氟酸 静态蚀刻 激光损伤 再沉积物 熔石英 organic fluoric acid static etching laser damage deposition fused silica 强激光与粒子束
2023, 35(11): 111005
1 中国石油大学(华东)地球科学与技术学院, 山东 青岛 266580
2 齐鲁工业大学(山东省科学院), 山东省科学院海洋仪器仪表研究所, 山东 青岛 266061
3 中国石油大学(华东)计算机科学与技术学院, 山东 青岛 266580
4 山东科技大学海洋科学与工程学院, 山东 青岛 266590
潮滩沉积物水分的分布在空间和时间上会有很大的变化, 含水量的变化会导致沉积物中生源要素含量的变化。 因此, 实时、 准确、 快速的监测潮滩沉积物含水量, 对了解潮滩的各种特性, 掌握潮滩生源要素信息, 潮滩资源的开发有着重要意义。 采集青岛市东大洋村潮间带的沉积物115份, 分别测定新鲜样品、 风干4周、 风干8周样品的可见近红外光谱和含水量。 以db10小波基和sym6小波基对原始光谱进行小波变换, 采用偏最小二乘回归建立潮滩沉积物含水量模型。 通过10阶小波变换获取原始光谱的低频信息An和高频信息Dn(n=1, 2, …, 10), 通过原始光谱S分别与高频信息Dn做差值, 得到S-Dn, 对An, Dn和S-Dn建立潮滩沉积物含水量模型, 并对模型结果进行分析。 原始光谱建立模型的为0.841, RMSEP为2.767, RPD值为2.481。 通过对db10小波基变换后的低频和高频信息分析, 无用信息主要集中在D3和D4, 去除D3和D4建立的含水量模型, 相比于原始光谱模型精度有明显提高, 为0.878, RMSEP为2.501, RPD值为2.749; 通过sym6小波基变换后进行分析, 无用信息主要集中在D5和D9, 去除D5和D9建立含水量模型与原始光谱模型相比, 精度也有一定提高, 为0.87, RMSEP为2.475, RPD值为2.768。 因此通过小波变换对原始光谱划分低频信息和高频信息进行分析, 能够有效找到潮滩沉积物含水量的干扰信息, 实现特征信息提取, 从而建立准确度更高的潮滩沉积物含水量模型, 为潮滩沉积物含水量实时、 动态监测提供理论基础。
潮滩沉积物 小波变换 含水量 可见-近红外光谱 Tidal flat sediment Wavelet transform Moisture content Visible near infrared spectroscopy 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1156
1 中国石油大学(华东)地球科学与技术学院, 山东 青岛 266580
2 中国石油大学(华东)计算机科学与技术学院, 山东 青岛 266580
3 齐鲁工业大学(山东省科学院), 山东省科学院海洋仪器仪表研究所, 山东 青岛 266061
4 山东科技大学海洋科学与工程学院, 山东 青岛 266590
海洋沉积物中碳的变化是衔接海洋生态系统的过去与未来的信息桥梁, 揭示了海洋生态过程变化规律。 因此开展海洋沉积物碳含量的研究, 对掌握海洋生态系统碳循环规律, 研究全球碳循环, 研究对气候变化的响应和反馈有着重要的作用。 光谱技术是一种快速、 无损的测量方法, 在定量分析中已有很成熟的应用。 多光谱融合通过将多个光谱数据结合一起, 获得比单一光谱更丰富的信息, 有利于物质的分析研究。 将多光谱融合应用于海洋沉积物碳含量的研究, 以青岛海洋潮间161份沉积物为样品, 分别采用海洋光学QE65000光谱仪(光谱仪1)和AVANTES光纤光谱仪AvaSpec-ULS2048(光谱仪2)采集沉积物可见-近红外光谱。 将两种光谱仪的光谱进行多光谱融合, 分别采用偏最小二乘回归算法(PLSR)和BP神经网络算法(BPNN)建立沉积物碳含量模型。 在PLSR沉积物碳含量建模结果中, 多融合光谱结果优于光谱仪2, 略低于光谱仪1, RPD值为1.968; 在BPNN沉积物碳含量建模结果中, 多融合光谱结果优于两个单光谱仪, RPD值为2.235。 将多光谱融合后的光谱划分多个波段, 分别建立沉积物碳含量模型, 寻找沉积物碳的特征波段。 通过分析多光谱融合各波段模型结果, 560~790 nm的建模效果最好, 为0.949, RMSEC为0.550, 为0.874, RMSEP为0.733, RPD值为2.823。 预测效果相较于光谱仪1、 光谱仪2、 多光谱融合全波段都有了显著的提高。 因此采用多融合光谱特征波段建立海洋沉积物碳含量模型, 能够提高海洋沉积物碳含量的预测结果, 建立准确度更高的沉积物碳模型, 为沉积物碳的快速测定打下基础。
海洋沉积物 多光谱融合 碳 光谱技术 Marine sediments Multispectral fusion Carbon spectroscopy 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2898
中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所, 自然资源部地球化学探测重点实验室, 河北 廊坊 065000
氯是化探样品分析中的重要元素, 而X射线荧光光谱法是测定卤族元素的重要技术手段。 已有研究表明, X射线荧光光谱法在测定氯时, 同一样片中氯的测定值随重复测定次数的增加而逐渐增大或减小。 采用高压覆膜制样技术制片, 测定土壤和水系沉积物中的氯, 氯（24～40 000 μg·g-1）校准曲线的相关系数明显改善, RMS（均方根）由未贴膜的0.009 63, 改善为贴膜后的RMS 0.001 98。 氯的检出限由未贴膜的30 μg·g-1, 改善为贴膜后的21 μg·g-1。 且高压覆膜制样, 同一样片连续测定10次, 还是10 d内隔天测定1次, 氯的测定值都保持不变或略有下降。 从抽真空时间, X光管应用功率, 烘样和不烘样, 氯元素存在形式等角度解释了氯的测定值随重复测定次数的增加而逐渐增大或略减小的原因。 高压覆膜制样, 样品表面的聚酯膜, 可以阻止在抽真空过程中氯随水分向样片表面迁移扩散或分解损失。 高压未覆膜的样片在测定过程中, 因样片表面吸附了水及空气分子, 因而随抽真空时间的增加及解吸附作用, 真空度下降明显, 氯的强度变化明显。 而高压覆膜样片在测定过程中, 真空度下降不明显, 氯的测定值基本不变或略有下降。 高压制样（1 600 kN）可以将不同类型的地质样品压制成型, 高压覆膜制样技术, 完全消除了粉尘效应, 对下照射的X射线荧光光谱仪具有重要意义。 测过的样片可以重复测定氯, 标准样片可长期保存, 避免了标准样品的浪费。 用该方法可以准确测定土壤和水系沉积物中32个组分。 该样品制备方法也适用于测定其他难以成型的样品及其荧光强度由于真空和长时间辐射而强度变化的元素分析。
高压覆膜制样 X射线荧光光谱 土壤和水系沉积物 氯 High-pressure film coating sample preparation X-ray fluorescence spectrometry Soil and sediment Chlorine 光谱学与光谱分析
2021, 41(6): 1828
1 合肥工业大学 电子科学与应用物理学院, 合肥 230009
2 中国科学院 安徽光学精密机械研究所 安徽省光子器件与材料重点实验室, 合肥 230031
3 深圳技术大学 新能源与新材料学院,深圳 518118
4 中国科学技术大学 科学岛分院, 合肥 230026
5 中国科学技术大学 环境科学与光电技术学院, 合肥 230026
6 合肥工业大学 智能制造研究院, 合肥 230009
古气候学是研究地球的过往气候的一门学科, 可以预测未来气候变化, 解决有关环境、资源等问题。基于激光诱导击穿光谱的元素成像技术可以快速、准确、原位分析复杂多样的大面积古气候样本, 获得能够与气候建立联系的元素信息, 在气候变化研究中展现出很好的应用前景。首先介绍了基于激光诱导击穿光谱的元素成像技术的基本原理, 其次回顾了目前常用的成像系统的仪器配置, 包括激光光源、聚焦系统和光谱探测系统等, 最后介绍了国内外基于激光诱导击穿光谱元素成像技术分析古气候代理物的典型案例。该研究对基于激光诱导击穿光谱的元素成像技术在古气候研究中的应用有很好的指导作用。
光谱学 激光诱导击穿光谱技术 元素成像 古气候学 洞穴沉积物 海洋动物外壳 spectroscopy laser-induced breakdown spectroscopy elemental imaging paleoclimatology cave deposits marine animal shell
1 自然资源部地球化学探测重点实验室, 河北 廊坊 065000
2 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所, 河北 廊坊 065000
研究土壤和水系沉积物中硒的价态有助于了解硒(Se)的迁移和转化。 目前报道大多只是测定土壤和水系沉积物中部分Se的价态, 而如何测定土壤和水系沉积物中全部Se的价态一直是一个难题, 难点在于如何将土壤和水系沉积物中的Se消解完全而不改变Se的价态。 试验发现6.0 mol·L-1 HCl可以将Se(Ⅵ)还原成Se(Ⅳ); 而在室温条件下1.2 mol·L-1 HCl介质中Se(Ⅳ)和Se(Ⅵ)放置48 h, 价态保持不变。 Se(Ⅳ)和Se(Ⅵ)采用HNO3+HF+HClO4进行消解, 加热到HClO4冒白烟时, Se(Ⅳ)和Se(Ⅵ)的价态保持不变; 而土壤和水系沉积物中Se采用HNO3+HF+HClO4进行消解, 加热到HClO4蒸干以后, Se(Ⅳ)会被氧化成Se(Ⅵ)。 基于以上的研究结果, 建立了氢化物发生-原子荧光光谱法(HG-AFS)测定土壤和水系沉积物中Se(Ⅳ)和Se(Ⅵ)的方法, 样品采用HNO3+HF+HClO4消解, 加热至HClO4冒白烟后停止加热(避免局部蒸干), 消解后的样品冷却至室温用1.2 mol·L-1 HCl溶解, 采用 HG-AFS测定得到样品中Se(Ⅳ)。 消解后的样品采用6.0 mol·L-1 HCl 加热溶解, 将Se(Ⅵ)全部还原为Se(Ⅳ), 采用HG-AFS测定得到样品中总Se, 利用差减法得Se(Ⅵ)。 测定结果表明土壤和水系沉积物中Se消解完全, Se(Ⅳ)和Se(Ⅵ)在分析过程中价态保持不变, Se(Ⅳ)和总Se的检出限分别为4.5和5.1 ng·g-1, Se(Ⅳ)和Se(Ⅵ)加标回收率分别为102%～108%和94%～104%。
土壤 水系沉积物 氢化物发生-原子荧光光谱法 硒(Ⅳ) 硒(Ⅵ) Soil Stream sediment Hydride generation-atomic fluorescence spectroscop Selenium(Ⅳ) Selenium(Ⅵ)
水系沉积物中重金属元素的生态风险评价对流域重金属的污染程度和迁移转化规律等研究具有十分重要的意义。 北运河是京津冀地区重要的纳污河道, 全流域重金属的分布特征和生态风险尚不清楚。 为全面了解北运河全流域沉积物中重金属的赋存水平, 该研究在上、 中、 下游共选取17个国控及省控断面采集表层沉积物。 使用王水提取-水浴消解以及连续提取法对沉积物样品进行前处理, 电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)同时测定As, Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb和Zn八种元素的含量及形态, 并对其进行生态风险评价。 结果表明, 北运河表层沉积物中重金属平均含量为Mn>Pb>Zn>Cu>Cr>Ni>Cd>As。 重金属元素Pb, Zn和Cu平均含量高于背景值, 其中Pb元素平均含量为背景值4倍以上。 不同重金属空间变化差异性较大, 中下游含量相对较高。 通过形态分析发现, Cd和Zn元素的形态以酸可溶态和可还原态为主, 生物活性较强, 对环境危害较大; As, Mn, Cr, Cu, Ni和Pb元素的形态以可氧化态和残渣态为主, 生物活性较弱, 对环境危害较小。 地质累积指数(Igeo)表明重金属外源污染严重, Pb(Igeo=2.24)污染水平较重, Cu(Igeo=1.44)和Cd(Igeo=1.45)污染水平中等, Zn(Igeo=0.99)污染水平较轻, 其他元素均处于无污染水平。 潜在生态风险指数表明, 北运河流域表层沉积物重金属的综合生态风险较低, 仅有Cd元素的存在使北运河具有中等风险, 其他元素均未给北运河带来风险(低风险)。 主成分分析表明北运河流域表层沉积物重金属主要来源于农药和化肥的不合理使用、 大气沉降以及工业与交通的排放。 与我国其他典型流域相比, 北运河流域表层沉积物重金属含量相对较低, 这主要归因于近些年来京津冀地区产业结构调整、 大气污染控制以及河道修复工作的有效实施, 该研究可为后续北运河治理和管理提供数据支持。
沉积物 重金属 形态分析 风险评价 源解析 ICP-OES Surface sediments Heavy metals Speciation analysis Ecological risk assessment Source apportionment ICP-OES 光谱学与光谱分析
2020, 40(12): 3912
