04 梁世慶 光譜分析技術(shù)的發(fā)展趨勢及金屬材料分析領(lǐng)域的應(yīng)用要求

1、光譜分析技術(shù)的發(fā)展趨勢 及金屬材料分析領(lǐng)域的應(yīng)用要求 內(nèi)容概覽內(nèi)容概覽 第一部分：第一部分： 光譜分析技術(shù)的發(fā)展趨勢光譜分析技術(shù)的發(fā)展趨勢 1.光譜分析儀器發(fā)展歷史光譜分析儀器發(fā)展歷史 2.國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 3.未來發(fā)展趨勢未來發(fā)展趨勢 第二部分：第二部分：金屬材料分析領(lǐng)域的應(yīng)用要求金屬材料分析領(lǐng)域的應(yīng)用要求 1.金屬材料發(fā)展金屬材料發(fā)展 2.金屬材料發(fā)展對光譜儀的要求金屬材料發(fā)展對光譜儀的要求 3.用戶對光譜儀的要求用戶對光譜儀的要求 光譜分析技術(shù)的發(fā)展趨勢光譜分析技術(shù)的發(fā)展趨勢 第一部分第一部分 光譜分析儀器發(fā)展歷史光譜分析儀器發(fā)展歷史 光譜起源于光譜起源于17世紀(jì)，世紀(jì)，16

2、66年物理學(xué)家年物理學(xué)家 牛頓第一次進行了光的色散實驗。牛頓第一次進行了光的色散實驗。 光光 1814年德國光學(xué)儀器專家夫瑯和費研究太陽光譜年德國光學(xué)儀器專家夫瑯和費研究太陽光譜 中的黑斑的相對位置時把那些主要黑線繪出光譜中的黑斑的相對位置時把那些主要黑線繪出光譜 圖。圖。 譜譜 1859年基爾霍夫和本生為了研究金屬的光譜制造世界上第一臺實用的光譜儀器，從而年基爾霍夫和本生為了研究金屬的光譜制造世界上第一臺實用的光譜儀器，從而奠定奠定 了一種新的化學(xué)分析方法了一種新的化學(xué)分析方法光譜分析法的基礎(chǔ)，他們被公認(rèn)為光譜分析法的創(chuàng)始人。光譜分析法的基礎(chǔ)，他們被公認(rèn)為光譜分析法的創(chuàng)始人。 儀器儀器 化學(xué)

3、史上特殊地位：化學(xué)史上特殊地位： 發(fā)現(xiàn)自然元素中發(fā)現(xiàn)自然元素中 1/ 7 光譜分析儀器發(fā)展歷史光譜分析儀器發(fā)展歷史 之后的之后的60多年中，羅蘭發(fā)明了凹面光柵，多年中，羅蘭發(fā)明了凹面光柵， 波耳的理論在光譜分析中起了作用，其對光譜的波耳的理論在光譜分析中起了作用，其對光譜的 激發(fā)過程、光譜線強度等提出比較滿意的解釋。激發(fā)過程、光譜線強度等提出比較滿意的解釋。 1928年以后，光譜儀器激發(fā)光源的穩(wěn)定性得到改進，本身性能大幅提高，光譜分析成了工年以后，光譜儀器激發(fā)光源的穩(wěn)定性得到改進，本身性能大幅提高，光譜分析成了工 業(yè)領(lǐng)域一種普遍的分析方法。業(yè)領(lǐng)域一種普遍的分析方法。 國內(nèi)光譜分析儀器發(fā)展歷史國

4、內(nèi)光譜分析儀器發(fā)展歷史 1958 年開始試制光譜儀器，生產(chǎn)了我國第一臺石英攝譜儀。年開始試制光譜儀器，生產(chǎn)了我國第一臺石英攝譜儀。 王大珩院士王大珩院士 19711972年由北京第二光學(xué)儀器廠研究成功國內(nèi)第一臺年由北京第二光學(xué)儀器廠研究成功國內(nèi)第一臺WZG200平面光柵光量計，結(jié)平面光柵光量計，結(jié) 束了我國不能生產(chǎn)光電直讀光譜儀的歷史。束了我國不能生產(chǎn)光電直讀光譜儀的歷史。 研制比領(lǐng)先國家晚近研制比領(lǐng)先國家晚近100年年 國內(nèi)光譜分析儀器應(yīng)用歷史國內(nèi)光譜分析儀器應(yīng)用歷史 八八 十年代以后，改革開放加快了我國分析儀器的研制、應(yīng)用的發(fā)展腳步。我國鑄造行業(yè)開十年代以后，改革開放加快了我國分析儀器的研

5、制、應(yīng)用的發(fā)展腳步。我國鑄造行業(yè)開 始引進光電直讀光譜儀作為熔煉過程中化學(xué)成份控制的分析手段。始引進光電直讀光譜儀作為熔煉過程中化學(xué)成份控制的分析手段。 國外先進品牌當(dāng)時狀況：國外先進品牌當(dāng)時狀況： 美國美國Thermo Fisher Scientific公司的公司的ARL2460 德國德國SPECTRO 公司公司1982年開始推出年開始推出SPECTRO LAB系列花火直讀光譜儀系列花火直讀光譜儀 德國德國OBLF公司公司 1992年推出年推出RS1000系列火花直讀光譜儀系列火花直讀光譜儀 應(yīng)用比領(lǐng)先國家晚近應(yīng)用比領(lǐng)先國家晚近50年年 國內(nèi)外儀器水平差距正在縮小國內(nèi)外儀器水平差距正在縮小

6、2000年之后，國外開始出現(xiàn)年之后，國外開始出現(xiàn)CCD全譜分析儀器全譜分析儀器 2008年國內(nèi)開始有廠家試產(chǎn)基于年國內(nèi)開始有廠家試產(chǎn)基于CCD的全譜分析儀器的全譜分析儀器 2013年，經(jīng)過年，經(jīng)過5年的不斷改進，國內(nèi)年的不斷改進，國內(nèi)CCD全譜分析儀器全譜分析儀器已經(jīng)達到國際先進水平已經(jīng)達到國際先進水平 比領(lǐng)先國家晚近比領(lǐng)先國家晚近8年年 2.光譜分析儀器國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀光譜分析儀器國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 通道式與全譜式并存通道式與全譜式并存 CCD 入射狹縫入射狹縫凹面光柵凹面光柵 羅蘭圓羅蘭圓 光源光源 P SCNiSi Mn Cr Fe Mg Mo Mn CrVCuCoAl Ce WNiTi 20

7、0300400波長波長 通道式光譜儀測量譜線通道式光譜儀測量譜線- -藍色，全譜式光譜儀測量譜線藍色，全譜式光譜儀測量譜線- -紅色紅色 分析塊狀金屬樣品主流光源分析塊狀金屬樣品主流光源 普通火焰普通火焰本生燈本生燈 電弧電弧/火花光源火花光源ICP 樣品樣品 電電 極極 激發(fā)光源的發(fā)展激發(fā)光源的發(fā)展 當(dāng)今主流激發(fā)光源的能力對比當(dāng)今主流激發(fā)光源的能力對比 以以M5000可編程脈沖合成數(shù)字光源為例可編程脈沖合成數(shù)字光源為例 t1t5tn 45 30 28 0 每個電源的輸出脈沖可以單獨每個電源的輸出脈沖可以單獨 控制，再經(jīng)過合成得到最終的控制，再經(jīng)過合成得到最終的 激發(fā)波形激發(fā)波形 t 激發(fā)頻率

8、高達激發(fā)頻率高達1000Hz 通過脈沖合成可實現(xiàn)任意激發(fā)波形，獲得最佳激發(fā)效果通過脈沖合成可實現(xiàn)任意激發(fā)波形，獲得最佳激發(fā)效果 采用開關(guān)電源控制技術(shù)，光源穩(wěn)定性好采用開關(guān)電源控制技術(shù)，光源穩(wěn)定性好 針對不同元素產(chǎn)生最佳激發(fā)波形針對不同元素產(chǎn)生最佳激發(fā)波形 適合分析激發(fā)電適合分析激發(fā)電 位高的元素位高的元素 適合分析常適合分析常 規(guī)元素規(guī)元素 適合分析蒸發(fā)溫度適合分析蒸發(fā)溫度 高及痕量元素高及痕量元素 脈沖合成脈沖合成 全數(shù)字光源全數(shù)字光源 性能水平性能水平 性能水平：性能水平：JJG 768-2005發(fā)射光譜儀國家計量檢定規(guī)程中的性能要求發(fā)射光譜儀國家計量檢定規(guī)程中的性能要求 市場主流儀器市場

9、主流儀器 市場主流產(chǎn)品：市場主流產(chǎn)品： ARL4460 SPECTRO LAB10 SPECTRO MAXX M5000 Q4 Q2 FMC DF-100 應(yīng)用領(lǐng)域：應(yīng)用領(lǐng)域： 鑄造、機加工、有色金屬、等各種金屬材料分析、檢驗領(lǐng)域。鑄造、機加工、有色金屬、等各種金屬材料分析、檢驗領(lǐng)域。 PMT PMT +CCD CCD CCD CCD CCD CCD PMT CCD全譜讀全譜讀 光譜儀光譜儀 主流主流 3.光譜分析儀器發(fā)展趨勢光譜分析儀器發(fā)展趨勢 全譜臺式光譜儀必將取代大型通道式光譜儀全譜臺式光譜儀必將取代大型通道式光譜儀 CCD傳感器的發(fā)展趨勢已形成，不可阻擋；傳感器的發(fā)展趨勢已形成，不可阻

10、擋； 全譜式光譜分析儀器的優(yōu)越性以及其引領(lǐng)的市場趨勢，不可阻擋；全譜式光譜分析儀器的優(yōu)越性以及其引領(lǐng)的市場趨勢，不可阻擋； 趨勢一旦形成，不會輕易改變！趨勢一旦形成，不會輕易改變！ 儀器小型化、智能化的趨勢，不可阻擋；儀器小型化、智能化的趨勢，不可阻擋； 3.光譜分析儀器發(fā)展趨勢光譜分析儀器發(fā)展趨勢 全譜臺式光譜儀必將取代大型通道式光譜儀全譜臺式光譜儀必將取代大型通道式光譜儀 CCD傳感器的發(fā)展趨勢已形成，不可阻擋；傳感器的發(fā)展趨勢已形成，不可阻擋； 全譜式光譜分析儀器的優(yōu)越性以及其引領(lǐng)的市場趨勢，不可阻擋；全譜式光譜分析儀器的優(yōu)越性以及其引領(lǐng)的市場趨勢，不可阻擋； 儀器小型化、智能化的趨勢，

11、不可阻擋；儀器小型化、智能化的趨勢，不可阻擋； CCD傳感器的發(fā)展趨勢傳感器的發(fā)展趨勢 CCD傳感器的發(fā)展趨勢傳感器的發(fā)展趨勢 3.光譜分析儀器發(fā)展趨勢光譜分析儀器發(fā)展趨勢 全譜臺式光譜儀必將取代大型通道式光譜儀全譜臺式光譜儀必將取代大型通道式光譜儀 CCD傳感器的發(fā)展趨勢已形成，不可阻擋；傳感器的發(fā)展趨勢已形成，不可阻擋； 全譜式光譜分析儀器的優(yōu)越性以及其引領(lǐng)的市場趨勢，不可阻擋；全譜式光譜分析儀器的優(yōu)越性以及其引領(lǐng)的市場趨勢，不可阻擋； 儀器小型化、智能化的趨勢，不可阻擋；儀器小型化、智能化的趨勢，不可阻擋； 分析譜線少分析譜線少 受受PMT體積和安裝空間的限制，通道式光譜儀測量體積和安裝

12、空間的限制，通道式光譜儀測量 的譜線只有的譜線只有二十條左右二十條左右 分析元素少分析元素少 由于通道光譜儀分析的譜線少，因此，分析元素也較少，一由于通道光譜儀分析的譜線少，因此，分析元素也較少，一 般只能同時分析般只能同時分析十幾個十幾個元素元素 擴展性差擴展性差 通道光譜儀出廠后，能夠分析的元素和基體種類就已經(jīng)確通道光譜儀出廠后，能夠分析的元素和基體種類就已經(jīng)確 定，無法增加新的分析元素或基體定，無法增加新的分析元素或基體 譜線信息少譜線信息少 通道式光譜儀只能測量出縫寬度內(nèi)的譜線強度，譜線信息通道式光譜儀只能測量出縫寬度內(nèi)的譜線強度，譜線信息 不全面，無法精確校正共存元素及背景光的干擾，

13、分析精不全面，無法精確校正共存元素及背景光的干擾，分析精 度差度差 通道式直讀光譜儀存在的不足通道式直讀光譜儀存在的不足 全譜測量的優(yōu)勢全譜測量的優(yōu)勢 提供更多提供更多 CCD全譜全譜 分析元素多？分析元素多？ 分析范圍大？分析范圍大？ 需求有變化？需求有變化？ 高、低含量都有最好的分高、低含量都有最好的分 析能力析能力 不同基體選擇最合適的分不同基體選擇最合適的分 析譜線析譜線 不用再擔(dān)心！不用再擔(dān)心！ 還可以做到還可以做到 通道通道 價格價格 全譜測量的優(yōu)勢全譜測量的優(yōu)勢 CCD全譜全譜 看得清儀器的漂移看得清儀器的漂移 看得清光譜背景看得清光譜背景 看得清譜線干擾看得清譜線干擾 譜線智能

14、漂移校正譜線智能漂移校正 離峰背景扣除離峰背景扣除 背景背景 干擾譜線干擾譜線 多峰擬合扣干擾多峰擬合扣干擾 背景線背景線 3.光譜分析儀器發(fā)展趨勢光譜分析儀器發(fā)展趨勢 全譜臺式光譜儀必將取代大型通道式光譜儀全譜臺式光譜儀必將取代大型通道式光譜儀 CCD傳感器的發(fā)展趨勢已形成，不可阻擋；傳感器的發(fā)展趨勢已形成，不可阻擋； 全譜式光譜分析儀器的優(yōu)越性以及其引領(lǐng)的市場趨勢，不可阻擋；全譜式光譜分析儀器的優(yōu)越性以及其引領(lǐng)的市場趨勢，不可阻擋； 儀器小型化、智能化的趨勢，不可阻擋；儀器小型化、智能化的趨勢，不可阻擋； 儀器小型化、智能化的趨勢儀器小型化、智能化的趨勢 金屬材料分析領(lǐng)域的應(yīng)用要求金屬材料

15、分析領(lǐng)域的應(yīng)用要求 第二部分第二部分 材料的發(fā)展史材料的發(fā)展史 100W 1W3K1K 舊石器時代 新石器時代 青銅時代 鐵器時代 1850s 鋼鐵時代 21世紀(jì) 復(fù)合材料時代 金屬材料是人類歷史的見證者，在材料工業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位 金屬材料應(yīng)用特點金屬材料應(yīng)用特點 各種各樣的應(yīng)用需求衍生出種類繁多的金屬材料 高要求：行業(yè)的不斷發(fā)展對材料要求越來越高 多樣性：應(yīng)用場合多，需求類別復(fù)雜 應(yīng)用要求不斷提高促進了新型材料的開發(fā)與應(yīng)用 汽車材料的多樣性需求汽車材料的多樣性需求 汽車上的零部件采用了 4000余種不同的材料加 工制造 發(fā)動機有100多種 變速箱有35種以上 汽車典型零件選材汽車典型零件選材 汽車發(fā)展對材料的要求汽車發(fā)展對材料的要求 節(jié)能 減排 汽車 行業(yè) 的可 持續(xù) 發(fā)展 減少行進阻力：改進汽車結(jié)構(gòu) 提高燃油效率：改進發(fā)動機技術(shù) 減少整車重量：采用輕質(zhì)合金 汽車每減重100公斤，可節(jié)省汽油0 .7升/百公里 Al Mg Ti 鋁合金在汽車中的應(yīng)用鋁合金在汽車中的應(yīng)用 汽車中鋁合金的比重：汽車中鋁合金的比重： 2000年年4%發(fā)展至發(fā)展至10% 鋁合金在汽車中的應(yīng)用鋁合金在汽車中的應(yīng)用 鎂合金在汽車領(lǐng)域