CB脆弱性硅酸盐质文化遗产保护关键科学与技术基础分析研究.docx

1、CB脆弱性硅酸盐质文化遗产保护关键科学与技术基础分析研究工程名称：脆弱性硅酸盐质文化遗产保护关键科学与技术基础研究首席科学家：罗宏杰 中国科学院上海硅酸盐研究所起止年限：2012.1-2016.8依托部门：上海市科委 国家文物局 中国科学院一、关键科学问题及研究内容(一) 关键科学问题1.病害形成规律及文化遗产损毁机制硅酸盐质文化遗产的病害主要包括埋藏、发掘以及保存等过程中产生的病害。其中，埋藏环境与保存环境及病害发展过程的实验室强化模拟将是病害形成机制研究的难点。如何快速、准确获取陶制彩绘文物的埋藏环境、获取壁画内外环境因素（见下图），并根据这些环境因素设计搭建多环境因素耦合实验室模拟装置都

2、是研究的关键。2 有机/无机保护材料协同作用设计与构筑 有机/无机保护材料的设计及可控合成。保护主要用材料为粘结材料。因不同地区、不同病因的粘结材料也不尽相同，既有共性特点也有个性需求。寻求一个通用的分子骨架来满足保护材料的共性需求，并以这个骨架为基础，通过复配、键合等方式引入其它功能基团来满足个性保护需求是材料制备的难题之一。设计并制备新型的有机/无机复合材料，以弥补有机材料易老化的问题，也是新型保护材料研究的关键。在以上研究的基础上，探索材料与文化遗产及环境的作用机理。发掘现场临时固型提取材料及颜料回贴技术研究。根据发掘现场需求，最重要的是临时固型材料及回贴技术。临时固型材料用于将文化遗产

3、及其周边的土壤等加固打包后整体移至实验室进行后续保护处理（见下图左）；回贴技术则用于将从陶器表面脱落并沾在土表面的颜料遗迹整体提取、并回贴至陶器表面（见下图右）。待加固打包的文物陶俑背部彩绘附于土壤表面设计并可控合成具有良好的渗透性、力学性能及可控去除性能的，且不与文化遗产、周边土壤及其它辅助材料发生化学作用的临时固型材料，探索颜料遗迹回贴技术，是应急保护的重点。3.保护行为与环境的依存规律材料关键保护性能随时间和环境的变化规律，是材料服役行为与服役寿命研究的重点。其中，实验室的强化模拟实验是否能表达自然条件下多环境因素长期的耦合作用，以及强化模拟实验的时间与自然时间的对应关系等，都是材料服役

4、行为研究的关键。在保护材料抵御环境作用机制及文化遗产的关键性损毁环境因素研究的基础上，构建适合多环境因素交变耦合作用的强化环境模拟箱，寻找强化实验与现场实验的时间对应关系，借助数据拟合与模拟技术研究保护材料的服役行为与服役寿命。4.高精度无损表征方法体系针对脆弱性硅酸盐质文化遗产，探索合理有效的技术方法，全面、快速、准确获取文化遗产的科学信息。多数分析设备样品室小并需抽真空，而现有的少量现场测试技术又存在测试规范性差、数据重复性差、数据准确性差等缺点，无法满足文化遗产的现场高精度无损测试需求。因此本研究将针对现场测试的特殊要求，建立高精度、便携、无损、非真空原位检测技术体系，探索具有高灵敏度、

5、高稳定性、高适用性的信号产生、探测和识别技术，并对不同测试技术所得结果进行比对分析。标准参考物质的设计与制备、标准参照图谱数据库的建立，以及测试结果校正方法与测试准确度的关系研究。 的量国内外文献资料，并_便携式分析技术在现场进行应用时，需要进行校准、定位。在进行化学成分定量分析时需采用标准参考物质预先构建标准校准曲线，对X射线衍射图谱、拉曼光谱等图谱的解读则需要参照标准图谱数据库。因此，本研究将制备或选择合适的标准参考物质体系，建立标准参照图谱、定量分析校准曲线及相关数据库等。激发源与激发条件、探测器选择以及测量微环境的创造等因素与测试精度的关系研究。可应用于脆弱性硅酸盐质文化遗产研究的各种

6、光谱分析技术、X射线分析技术、便携式核磁共振（NMR）分析技术等，都需要有一个激发源（如X射线管、激光光源等），而对于信号的探测需要有光谱或能谱分析探测仪等。为提高测量的灵敏度和精度，还需要对测量的微环境进行改变，如在能谱探测器与文化遗产间充入惰性气体以提高对轻元素（Na、Mg）的探测灵敏度。本研究将探索激发源与激发条件、探测器选择以及测量微环境的创造等因素与测试精度的关系。有机染料的多光谱识别技术研究。多光谱摄影技术应用于壁画榜题中褪色或变色文字的无损调查研究，此项研究将构建适合古代壁画技法和有机染料研究的多光谱摄影调查体系，重点探索敦煌壁画中已经老化和退色的天然有机染料的鉴定和识别方法，发

7、现老化有机染料结构变化规律和光谱反应特征，找出能够识别不同染料的近红外、可见、紫外的特征激发波段，建立无损有机染料鉴定的光谱方法。(二) 主要研究内容围绕硅酸盐质文化遗产的系统保护以及所面临的4个关键科学问题，将重点开展以下研究：1. 文化遗产形成物理化学基础的科学认知在充分开展现场调研分析的基础上，选择若干典型代表性样品，借助原位无损以及其它实验室测试分析方法，科学认知被保护基体及其彩绘层的组成、结构和性能，参照文献及已有工艺，研究文化遗产形成的工艺基础，建立“组成-工艺-结构-性能”数据库，为后续保护工作的研究奠定科学基础。分析比较不同保存状态文化遗产的组成、结构、性能及工艺信息，探索古代

8、保护技术的科学精髓。2. 成盐元素的迁徙及盐害的发生与发展规律确定引起典型壁画和陶质彩绘文物盐害的成盐元素和成盐类型，研究成盐过程中有无复盐生成；界定文化遗产依存环境温度条件下的相图，得到盐析结晶动力学和热力学数据，确定单组分盐类及复盐结晶区、共饱和点、相转变点、粘度、pH值等。正确解读相图，全面阐释相图提供的信息，结合动力学，晶体力学的研究结果，揭示相关盐类在不同环境条件下对文化遗产的损坏机理；界定相关的边界条件，研究环境条件如湿度、温度、季节性等与文化遗产含盐量的关系，研究文化遗产中盐类的分布及迁徙、富集规律。建立盐类活动机理的数学模型，为文化遗产的有效保护及脱盐修复提供理论支持。3. 考

9、古发掘现场脆弱性陶质文物抢救性保护技术基础 通过模拟实验以及多元统计分析技术，找出文物在环境突变时病变的关键影响因素，并在此基础上开展文物本体最佳微环境评价和调控技术研究，探索考古发掘现场可移动珍贵文物微环境调控模式。 在掌握环境突变条件下文物本体病害形成机理的基础上，制备或筛选多种应急保护材料，包括临时固型材料、陶胎加固材料、彩绘加固材料、粘结材料等；并开展回贴材料以及回贴技术等为主的现场应急保护技术研究。4. 已用保护材料与文物本体作用机制及其安全性和服役行为的科学认知广泛调研已用保护材料与保护工艺，并将材料施加在模拟样品上，用统一规范的方法测定保护材料、模拟样品的组成、结构及性能，评价保

10、护材料介入后文物本体物理、化学和力学性质的变化机制，包括热胀性变化、湿胀性变化、界面效应、应力变化等，以及由此引起的文物本体的开裂、起壳、剥离等破坏现象的机理和过程。分子层面的兼容性和老化性研究，包括基于分子作用力的保护材料与文物本体结合后的脱离/亲和趋势的定量或半定量解释，分散于文物微孔介质中保护材料的分解老化机制和速率研究，保护材料失效后对文物本体的微结构影响和破坏性研究等。参照文化遗产保存的环境状况，设置加速老化实验，跟踪研究保护材料多种性能的时效状态，并利用数据模拟技术研究保护材料服役行为，掌握保护材料的劣化机理。5. 有机/无机复合保护材料中有机/无机协同保护功能的设计及可控制备针对

11、不同地区以及不同病害对保护材料的使用要求，在前期研究的基础上，选择两类材料进行研究，其一是以-Si(OR)3为主骨架，通过化学修饰或枝接能满足个性保护需求的X功能团，组成含有有机官能团X的有机硅分子(X-Si(OR)3)，通过调节X结构，使有机硅材料具有亲水、憎水、粘结、耐酸碱、抗微生物等用途；其二是以有机聚合物（丙烯酸酯类、含氟聚合物、支链淀粉等）为骨架并与硅基材料（硅氧烷、有机硅、纳M二氧化硅、硅溶胶等）进行穿网复合形成有机/无机复合材料；研究有机物分子结构、分子量、骨架聚集形式等，以及无机组分粒子的生长方式和条件与保护材料结构性能的构效关系，揭示有机/无机组分协同效应的调控机制，确定影响

12、有机/无机保护材料寿命的主控因素，动态跟踪分析有机/无机保护材料的协同作用及功能失效所服从的规律，建立保护材料功能时效的动力学模型。探明保护材料与保护本体的作用方式及功能实现途径，模拟研究保护工艺及其保护材料功能实现的优化方式，研究保护过程中功能实现的机理及所服从的规律。6. 保护材料与保护工艺系统评价体系的构建以及新技术评价与保护示范在总结已有文化遗产保护技术评价方法的基础上，结合文化遗产保护技术系统评价体系的构建要求，参照其它材料的评价经验，系统设计适应于文化遗产保护技术安全性、有效性及耐久性的评价方法及评价标准。通过局部小试、现场放大实验，利用多场耦合评价方法，分别从单一材料、基体、材料

13、与基体结合体等角度测试和评估本工程研究所得的保护材料与保护工艺的安全性、有效性、耐久性，并对应用技术与工艺进行优化，筛选出针对不同病害的最佳保护材料与最优施工工艺。分别在敦煌莫高窟和秦始皇兵马俑坑开展保护技术示范工程，并在现场建立实时监控体系，跟踪评价保护材料的保护效果。7. 脆弱性硅酸盐质文化遗产原位、无损研究与鉴定的技术方法体系构建针对壁画、陶质彩绘文物等脆弱性硅酸盐质文化遗产原位、无损研究与鉴定的科学技术方法体系，用以系统获取这类文化遗产的化学成分、物相组成、宏观和微观形貌、结构、病害特征、技法与干预行为等信息，为脆弱性硅酸盐质文化遗产的科学认知、鉴定、系统性保护及保护效果评价提供技术支

14、持。研究过程中将解决若干基础性的关键科学和技术问题。 例如，在信号产生、探测及识别方面，重点研究激发源、激发条件、测量微环境的创造、探测器选择等因素与测试精度和灵敏度的关系；在测试方法上，重点研究标准参考物质设计与制备、测试结果校正方法与测试准确度的关系；在现场测试准确性的评价方面，重点开展测量结果的不确定性分析、适用性分析、影响因素分析以及不同测试技术间的比对分析等，用以改进测试与校正方法。利用无损多光谱摄影技术，以敦煌不同时代洞窟为研究对象，建立复原壁画中大量的变色、褪色画面中的原始图案和线条的方法和体系。研究对壁画榜题中变色或褪色的文字进行多光谱识别的方法和技术。在宏观摄影调查的基础上，

15、建立对敦煌壁画所用无机颜料和有机染料进行无损光学调查的方法和技术，研究古代壁画的制作技术。研究和构建适合于壁画层位调查的光学相干成像系统，重点实验适合多层壁画层位无损调查的光谱波段，光谱信号接收和放大装置，用于大面积壁画和层位调查的方法。二、预期目标以壁画及陶质彩绘文物等典型脆弱性硅酸盐质文化遗产为研究对象，展开跨部门、跨学科的交叉集成研究，有利于解决长期困扰硅酸盐质文化遗产科学保护的共性、基础性难题，促进系统保护技术及现场测试技术、装备和标准的发展，加快人才培养的效率与速度，推动主动性系统性保护工作的开展，避免保护性破坏的发生，更好地服务于文化遗产保护的紧迫需求，持久支撑中国特色文化及经济建设的发展与繁荣。总之，通过本工程的实施，预计可达到以下目标：1. 科学认知被保护对象及其主要病害的形成机制及演变过程系统研究被保护对象的组成-结构-工艺-性能及其相互关系，探索埋藏、发掘及保存过程中主要病害的形成机制及演变过程，建立集文化遗产组成、结构、性能、工艺、环境与病害等信息于一体的数据库。2. 全面归纳总结古代以及已用保护技术的特点深入研究不同保存状态文化遗产的材质参数以及周边环境参数，探索文化遗产抵御环境侵蚀的科学与技术机制。研究已用保护材料与工艺，系统掌握其作用机制及应用特点，建立已用保护技术数据库。挖掘古代及现代已用保