04 梁世庆 光谱分析技术的发展趋势及金属材料分析领域的应用要求

1、光谱分析技术的发展趋势 及金属材料分析领域的应用要求 内容概览内容概览 第一部分：第一部分： 光谱分析技术的发展趋势光谱分析技术的发展趋势 1.光谱分析仪器发展历史光谱分析仪器发展历史 2.国内外发展现状国内外发展现状 3.未来发展趋势未来发展趋势 第二部分：第二部分：金属材料分析领域的应用要求金属材料分析领域的应用要求 1.金属材料发展金属材料发展 2.金属材料发展对光谱仪的要求金属材料发展对光谱仪的要求 3.用户对光谱仪的要求用户对光谱仪的要求 光谱分析技术的发展趋势光谱分析技术的发展趋势 第一部分第一部分 光谱分析仪器发展历史光谱分析仪器发展历史 光谱起源于光谱起源于17世纪，世纪，16

2、66年物理学家年物理学家 牛顿第一次进行了光的色散实验。牛顿第一次进行了光的色散实验。 光光 1814年德国光学仪器专家夫琅和费研究太阳光谱年德国光学仪器专家夫琅和费研究太阳光谱 中的黑斑的相对位置时把那些主要黑线绘出光谱中的黑斑的相对位置时把那些主要黑线绘出光谱 图。图。 谱谱 1859年基尔霍夫和本生为了研究金属的光谱制造世界上第一台实用的光谱仪器，从而年基尔霍夫和本生为了研究金属的光谱制造世界上第一台实用的光谱仪器，从而奠定奠定 了一种新的化学分析方法了一种新的化学分析方法光谱分析法的基础，他们被公认为光谱分析法的创始人。光谱分析法的基础，他们被公认为光谱分析法的创始人。 仪器仪器 化学

3、史上特殊地位：化学史上特殊地位： 发现自然元素中发现自然元素中 1/ 7 光谱分析仪器发展历史光谱分析仪器发展历史 之后的之后的60多年中，罗兰发明了凹面光栅，多年中，罗兰发明了凹面光栅， 波耳的理论在光谱分析中起了作用，其对光谱的波耳的理论在光谱分析中起了作用，其对光谱的 激发过程、光谱线强度等提出比较满意的解释。激发过程、光谱线强度等提出比较满意的解释。 1928年以后，光谱仪器激发光源的稳定性得到改进，本身性能大幅提高，光谱分析成了工年以后，光谱仪器激发光源的稳定性得到改进，本身性能大幅提高，光谱分析成了工 业领域一种普遍的分析方法。业领域一种普遍的分析方法。 国内光谱分析仪器发展历史国

4、内光谱分析仪器发展历史 1958 年开始试制光谱仪器，生产了我国第一台石英摄谱仪。年开始试制光谱仪器，生产了我国第一台石英摄谱仪。 王大珩院士王大珩院士 19711972年由北京第二光学仪器厂研究成功国内第一台年由北京第二光学仪器厂研究成功国内第一台WZG200平面光栅光量计，结平面光栅光量计，结 束了我国不能生产光电直读光谱仪的历史。束了我国不能生产光电直读光谱仪的历史。 研制比领先国家晚近研制比领先国家晚近100年年 国内光谱分析仪器应用历史国内光谱分析仪器应用历史 八八 十年代以后，改革开放加快了我国分析仪器的研制、应用的发展脚步。我国铸造行业开十年代以后，改革开放加快了我国分析仪器的研

5、制、应用的发展脚步。我国铸造行业开 始引进光电直读光谱仪作为熔炼过程中化学成份控制的分析手段。始引进光电直读光谱仪作为熔炼过程中化学成份控制的分析手段。 国外先进品牌当时状况：国外先进品牌当时状况： 美国美国Thermo Fisher Scientific公司的公司的ARL2460 德国德国SPECTRO 公司公司1982年开始推出年开始推出SPECTRO LAB系列花火直读光谱仪系列花火直读光谱仪 德国德国OBLF公司公司 1992年推出年推出RS1000系列火花直读光谱仪系列火花直读光谱仪 应用比领先国家晚近应用比领先国家晚近50年年 国内外仪器水平差距正在缩小国内外仪器水平差距正在缩小

6、2000年之后，国外开始出现年之后，国外开始出现CCD全谱分析仪器全谱分析仪器 2008年国内开始有厂家试产基于年国内开始有厂家试产基于CCD的全谱分析仪器的全谱分析仪器 2013年，经过年，经过5年的不断改进，国内年的不断改进，国内CCD全谱分析仪器全谱分析仪器已经达到国际先进水平已经达到国际先进水平 比领先国家晚近比领先国家晚近8年年 2.光谱分析仪器国内外发展现状光谱分析仪器国内外发展现状 通道式与全谱式并存通道式与全谱式并存 CCD 入射狭缝入射狭缝凹面光栅凹面光栅 罗兰圆罗兰圆 光源光源 P SCNiSi Mn Cr Fe Mg Mo Mn CrVCuCoAl Ce WNiTi 20

7、0300400波长波长 通道式光谱仪测量谱线通道式光谱仪测量谱线- -蓝色，全谱式光谱仪测量谱线蓝色，全谱式光谱仪测量谱线- -红色红色 分析块状金属样品主流光源分析块状金属样品主流光源 普通火焰普通火焰本生灯本生灯 电弧电弧/火花光源火花光源ICP 样品样品 电电 极极 激发光源的发展激发光源的发展 当今主流激发光源的能力对比当今主流激发光源的能力对比 以以M5000可编程脉冲合成数字光源为例可编程脉冲合成数字光源为例 t1t5tn 45 30 28 0 每个电源的输出脉冲可以单独每个电源的输出脉冲可以单独 控制，再经过合成得到最终的控制，再经过合成得到最终的 激发波形激发波形 t 激发频率

8、高达激发频率高达1000Hz 通过脉冲合成可实现任意激发波形，获得最佳激发效果通过脉冲合成可实现任意激发波形，获得最佳激发效果 采用开关电源控制技术，光源稳定性好采用开关电源控制技术，光源稳定性好 针对不同元素产生最佳激发波形针对不同元素产生最佳激发波形 适合分析激发电适合分析激发电 位高的元素位高的元素 适合分析常适合分析常 规元素规元素 适合分析蒸发温度适合分析蒸发温度 高及痕量元素高及痕量元素 脉冲合成脉冲合成 全数字光源全数字光源 性能水平性能水平 性能水平：性能水平：JJG 768-2005发射光谱仪国家计量检定规程中的性能要求发射光谱仪国家计量检定规程中的性能要求 市场主流仪器市场

9、主流仪器 市场主流产品：市场主流产品： ARL4460 SPECTRO LAB10 SPECTRO MAXX M5000 Q4 Q2 FMC DF-100 应用领域：应用领域： 铸造、机加工、有色金属、等各种金属材料分析、检验领域。铸造、机加工、有色金属、等各种金属材料分析、检验领域。 PMT PMT +CCD CCD CCD CCD CCD CCD PMT CCD全谱读全谱读 光谱仪光谱仪 主流主流 3.光谱分析仪器发展趋势光谱分析仪器发展趋势 全谱台式光谱仪必将取代大型通道式光谱仪全谱台式光谱仪必将取代大型通道式光谱仪 CCD传感器的发展趋势已形成，不可阻挡；传感器的发展趋势已形成，不可阻

10、挡； 全谱式光谱分析仪器的优越性以及其引领的市场趋势，不可阻挡；全谱式光谱分析仪器的优越性以及其引领的市场趋势，不可阻挡； 趋势一旦形成，不会轻易改变！趋势一旦形成，不会轻易改变！ 仪器小型化、智能化的趋势，不可阻挡；仪器小型化、智能化的趋势，不可阻挡； 3.光谱分析仪器发展趋势光谱分析仪器发展趋势 全谱台式光谱仪必将取代大型通道式光谱仪全谱台式光谱仪必将取代大型通道式光谱仪 CCD传感器的发展趋势已形成，不可阻挡；传感器的发展趋势已形成，不可阻挡； 全谱式光谱分析仪器的优越性以及其引领的市场趋势，不可阻挡；全谱式光谱分析仪器的优越性以及其引领的市场趋势，不可阻挡； 仪器小型化、智能化的趋势，

11、不可阻挡；仪器小型化、智能化的趋势，不可阻挡； CCD传感器的发展趋势传感器的发展趋势 CCD传感器的发展趋势传感器的发展趋势 3.光谱分析仪器发展趋势光谱分析仪器发展趋势 全谱台式光谱仪必将取代大型通道式光谱仪全谱台式光谱仪必将取代大型通道式光谱仪 CCD传感器的发展趋势已形成，不可阻挡；传感器的发展趋势已形成，不可阻挡； 全谱式光谱分析仪器的优越性以及其引领的市场趋势，不可阻挡；全谱式光谱分析仪器的优越性以及其引领的市场趋势，不可阻挡； 仪器小型化、智能化的趋势，不可阻挡；仪器小型化、智能化的趋势，不可阻挡； 分析谱线少分析谱线少 受受PMT体积和安装空间的限制，通道式光谱仪测量体积和安装

12、空间的限制，通道式光谱仪测量 的谱线只有的谱线只有二十条左右二十条左右 分析元素少分析元素少 由于通道光谱仪分析的谱线少，因此，分析元素也较少，一由于通道光谱仪分析的谱线少，因此，分析元素也较少，一 般只能同时分析般只能同时分析十几个十几个元素元素 扩展性差扩展性差 通道光谱仪出厂后，能够分析的元素和基体种类就已经确通道光谱仪出厂后，能够分析的元素和基体种类就已经确 定，无法增加新的分析元素或基体定，无法增加新的分析元素或基体 谱线信息少谱线信息少 通道式光谱仪只能测量出缝宽度内的谱线强度，谱线信息通道式光谱仪只能测量出缝宽度内的谱线强度，谱线信息 不全面，无法精确校正共存元素及背景光的干扰，

13、分析精不全面，无法精确校正共存元素及背景光的干扰，分析精 度差度差 通道式直读光谱仪存在的不足通道式直读光谱仪存在的不足 全谱测量的优势全谱测量的优势 提供更多提供更多 CCD全谱全谱 分析元素多？分析元素多？ 分析范围大？分析范围大？ 需求有变化？需求有变化？ 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 不同基体选择最合适的分不同基体选择最合适的分 析谱线析谱线 不用再担心！不用再担心！ 还可以做到还可以做到 通道通道 价格价格 全谱测量的优势全谱测量的优势 CCD全谱全谱 看得清仪器的漂移看得清仪器的漂移 看得清光谱背景看得清光谱背景 看得清谱线干扰看得清谱线干扰 谱线智能

14、漂移校正谱线智能漂移校正 离峰背景扣除离峰背景扣除 背景背景 干扰谱线干扰谱线 多峰拟合扣干扰多峰拟合扣干扰 背景线背景线 3.光谱分析仪器发展趋势光谱分析仪器发展趋势 全谱台式光谱仪必将取代大型通道式光谱仪全谱台式光谱仪必将取代大型通道式光谱仪 CCD传感器的发展趋势已形成，不可阻挡；传感器的发展趋势已形成，不可阻挡； 全谱式光谱分析仪器的优越性以及其引领的市场趋势，不可阻挡；全谱式光谱分析仪器的优越性以及其引领的市场趋势，不可阻挡； 仪器小型化、智能化的趋势，不可阻挡；仪器小型化、智能化的趋势，不可阻挡； 仪器小型化、智能化的趋势仪器小型化、智能化的趋势 金属材料分析领域的应用要求金属材料

15、分析领域的应用要求 第二部分第二部分 材料的发展史材料的发展史 100W 1W3K1K 旧石器时代 新石器时代 青铜时代 铁器时代 1850s 钢铁时代 21世纪 复合材料时代 金属材料是人类历史的见证者，在材料工业中占据主导地位 金属材料应用特点金属材料应用特点 各种各样的应用需求衍生出种类繁多的金属材料 高要求：行业的不断发展对材料要求越来越高 多样性：应用场合多，需求类别复杂 应用要求不断提高促进了新型材料的开发与应用 汽车材料的多样性需求汽车材料的多样性需求 汽车上的零部件采用了 4000余种不同的材料加 工制造 发动机有100多种 变速箱有35种以上 汽车典型零件选材汽车典型零件选材 汽车发展对材料的要求汽车发展对材料的要求 节能 减排 汽车 行业 的可 持续 发展 减少行进阻力：改进汽车结构 提高燃油效率：改进发动机技术 减少整车重量：采用轻质合金 汽车每减重100公斤，可节省汽油0 .7升/百公里 Al Mg Ti 铝合金在汽车中的应用铝合金在汽车中的应用 汽车中铝合金的比重：汽车中铝合金的比重： 2000年年4%发展至发展至10% 铝合金在汽车中的应用铝合金在汽车中的应用 镁合金在汽车领域