一种基于分布活化能模型的古建筑木料年代测量方法技术

本发明专利技术提供了一种基于分布活化能模型的古建筑木料年代测量方法，通过毫克级别的取样并开展多重升温速率下的热重测试，基于分布活化能模型和开发的DAEM多参数寻优程序，对包含木质素、纤维素及半纤维素三种主要成分的待测样品DAEM动力学参数进行求解，再根据建立的动力学参数和时间老化的数据库匹配得到相应的老化时间。本发明专利技术可实现对各种场景下木龄的快速准确测量，具备操作方便、易推广等优势，可取得广泛的应用，并对文物的历史年代和文化底蕴进行有力的佐证。进行有力的佐证。进行有力的佐证。

【技术实现步骤摘要】
一种基于分布活化能模型的古建筑木料年代测量方法


[0001]本专利技术设计木龄测量领域，尤其是涉及一种基于分布活化能模型的古建筑木料年代测量方法。

技术介绍

[0002]木料具有美观耐用、加工性能优越、便宜可再生等优点，广泛应用于建筑材料、家具及工艺品等领域中。尤其是在古建筑中，木料在承重体系及功能装饰体系均发挥着重要作用。如何快速准确地获取木料年龄，判断木料使用年限，不仅在古建筑领域具有重要价值，同样也是考古、文玩及生物质等领域的重要问题。
[0003]木料是能够次级生长的植物所形成的木质化组织，由木质素、纤维素、半纤维素等天然高分子化合物构成的有机复合材料，此外，还含有次要组分木料抽取物，包括树脂、树胶、精油、色素、生物碱、脂肪、蜡、糖、淀粉和硅化物等成分。在广泛存世的古建筑中，古旧木料大量应用，但易受细菌、昆虫、紫外线辐射、水、腐蚀性介质环境、防腐材料等的侵蚀，在密度、含水率、力学性质、细胞形态、物理孔隙结构、化学组分含量、分子结构、分子量分布等性质方面发生变化，进而导致古旧木料变色腐蚀和功能降低。而在各种老化侵蚀中，时间决定着木料的老化程度，老化时间的准确判定有助于帮助我们对古建筑的文化历史价值作出研判。但在实际应用中，受限于现有测量技术，在材料历史的不确定性、未知的原始机械性能及其他老化效应的综合影响下，木料老化时间难以获取。
[0004]众所周知，树木树干的形成层每年都有生长活动，会在树干截面上形成疏密相间的同心圆圈。多数温带树种一年形成一个年轮，因此可以根据年轮的数目确定树龄，这一方法也被称为树木年轮断代法。但这一规律仅适用于确定古树及包含完整树皮的木料年龄，而在古建筑、木艺品等领域中大量应用的古木通常已对原木进行了切割加工，难以根据完整的年轮信息确定其相关年龄。碳14测定法可以通过测量树木样品中碳14衰变的程度，鉴定出木料的年龄。但该方法必须挑选大量的合适样品，测量时间较长、步骤繁琐，且所用的专用测量装置不易获取。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术所提出的一种基于分布活化能模型的古建筑木料年代测量方法，通过提取微量(毫克级别)待研究木料样品，开展多升温速率下的热重分析测试，应用多参数寻优算法和分布活化能模型对热解反应数据进行解耦，获取样品中3种伪成分的动力学参数，进而根据获得的各成分动力学参数对木料样品的年龄进行判断；可实现对木料年龄的快速测量，从而弥补现有木龄测量技术上取样多、用时长、操作复杂和成本昂贵等的缺点，具有较大的实际应用价值。
[0006]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0007]一种基于分布活化能模型的古建筑木料年代测量方法，该方法包括如下步骤：
[0008](1)样品制备：
[0009]选取从古建筑群中获取的已知年份木料待测样品，将待测样品球磨粉碎后过筛，烘干后等份称样备用；
[0010](2)热重测试：
[0011]对待测样品开展不同升温速率下的热重测试，并绘制不同升温速率下TG和DTG曲线，分析试验数据的可靠性；
[0012](3)DAEM参数计算：
[0013]基于多升温速率下的热重结果，建立包含3个伪成分的n阶反应规律的分布活化能预测模型，利用开发的DAEM多参数寻优程序进行求解，获得待测样品DAEM最优参数组，确定各伪成分动力学参数；
[0014](4)建立数据库：
[0015]重复上述步骤(1)
‑
(3)，计算出同一品种但不同年份木料的各成分动力学参数，从而建立已知年份的木料的时间与动力学参数的对应关系数据库；
[0016](5)确定木料年代：
[0017]选定待测木料未受腐蚀污染且不对样本造成破坏的部位，去除样品表面层灰尘及杂质，用刀具切取或钻取待测样品；然后重复上述步骤(1)
‑
(3)，计算出各成分动力学参数，通过比对建立的数据库进而确定待测木料年代。
[0018]进一步，3个伪成分分别是指木质素、纤维素和半纤维素；动力学参数是指木质素、纤维素和半纤维素的活化能、指前因子及权重因子。
[0019]进一步，步骤(1)中球磨粉碎后过40
‑
60目筛，在75
‑
105℃的烘箱中干燥24
‑
48h后取出，每份样品称量3
‑
5mg备用。
[0020]进一步，步骤(2)中，选择3
‑
4个升温速率，并设定升温范围为25
‑
850℃。
[0021]进一步，步骤(3)中，开发的DAEM多参数寻优程序是基于粒子群算法和遗传算法耦合，同时对多组升温速率下的α和dα/dT数据进行求解，避免局部最优解的病态行为，提高模型预测能力。
[0022]进一步，恒定升温速率下，关于温度T的伪成分j的DAEM方程组的表达式如下：
[0023][0024][0025]式中，n，A
j
，E
i
，R和T分别是反应级数、指前因子、活化能、理想气体常数和t时刻的瞬时绝对温度，而α
j
表示伪成分j热解挥发物的质量分数。
[0026]进一步，假设各伪成分j之间不存在相互影响，热解总反应可以考虑为各伪成分分解反应的线性组合，表达式如下：
[0027][0028][0029]其中M表示需要计算的伪成分数量。
[0030]由于DAEM方程组包含两层积分，即内层温度积分和外层活化能积分，如方程(1)
‑
(2)所示，方程式的精确解析解我们无法获取，数值求解也极为复杂。
[0031]因此，为了节省程序计算时间和内存，引入了一个六阶Pad
é
近似方程对内层温度积分进行简化，如下所示，当x>12，六阶Pad
é
近似方程的绝对误差小于1
×
10
‑
16
。
[0032][0033][0034]对于包含3个伪成分的木头分解DAEM，可以基于上述方程(1)
‑
(6)建立热重分析下的TG和DTG预测模型。因此，可以根据测试结果对DAEM参数组进行求解。
[0035]相对于现有技术，本专利技术所述的基于分布活化能模型的古建筑木料年代测量方法具有以下优势：
[0036]本专利技术所述的基于分布活化能模型的古建筑木料年代测量方法可实现对木料年龄的快速测量，解决了古建筑木龄测量手段的短板问题，从而弥补现有木龄测量技术上取样多、用时长、操作复杂和成本昂贵等的缺点，与传统方法相比，该方法更适合应用推广，可以有效提高测量效率和精度，具有极大的应用价值和市场潜力。
附图说明
[0037]构成本专利技术的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：
[0038]图1为本专利技术实施例所述的基于分布活化能模型的古建筑木料年代测量方法的流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分布活化能模型的古建筑木料年代测量方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：(1)样品制备：选取从古建筑群获取的已知年份木料待测样品，将待测样品球磨粉碎后过筛，烘干后等份称样备用；(2)热重测试：对待测样品开展不同升温速率下的热重测试，并绘制不同升温速率下TG和DTG曲线，分析试验数据的可靠性；(3)DAEM参数计算：基于多升温速率下的热重结果，建立包含3个伪成分的n阶反应规律的分布活化能预测模型，利用开发的DAEM多参数寻优程序进行求解，获得待测样品DAEM最优参数组，确定各伪成分动力学参数；(4)建立数据库：重复上述步骤(1)
‑
(3)，计算出同一品种但不同年份木料的各成分动力学参数，从而建立已知年份的木料的时间与动力学参数的对应关系数据库；(5)确定木料年代：选定待测木料未受腐蚀污染且不对样本造成破坏的部位，去除样品表面层灰尘及杂质，用刀具切取或钻取待测样品；然后重复上述步骤(1)
‑
(3)，计算出各成分动力学参数，通过比对建立的数据库进而确定待测木料年代。2.根据权利要求1所述的基于分布活化能模型的古建筑木料年代测量方法，其特征在于：3个伪成分分别是指木质素、纤维素和半纤维素；动力学参数是指木质素、纤维素和半纤维素的活化能、指前因子及权重因子。3.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宓，刘浩，姜林，徐强，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：