光谱椭偏仪SE和紫外光谱UV在沥青胶结料性能表征及老化评估研究

沥青路面是全球道路网络的主要构成部分，但其在使用过程中会持续受到交通荷载、温度变化、氧化老化和紫外线辐射等多种环境与机械应力的侵蚀。这些因素导致沥青结合料逐渐硬化、开裂，严重损害路面的服役性能与使用寿命。然而，传统上依赖流变学或经验性指标的表征方法，往往难以捕捉到沥青在分子和微观尺度上的早期老化与降解过程，从而限制了对其性能衰变机制的深入理解和有效预测。Flexfilm全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。

为解决这一瓶颈问题，近年来，紫外光谱和光谱椭偏术作为两种新兴的分析工具，展现出显著优势。紫外光谱能够通过特征吸收峰灵敏地检测氧化及光降解产物的形成，揭示化学层面的老化机理；而光谱椭偏术则能以纳米级精度量化沥青的光学常数与薄膜形态演变，提供其物理结构变化的直观信息。这两种非破坏性、高分辨率的表征技术互为补充，共同为理解沥青从分子结构到宏观性能的关联机制提供了强大支撑，有望推动沥青材料从经验设计向精准化、性能导向化的新范式转变。

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紫外光谱在沥青结合料表征中的应用

沥青胶结料表征用紫外光谱仪装置及样品制备方法

原理与方法

紫外光谱通过测量沥青对紫外光的吸收来分析其化学结构。沥青中的芳香化合物等“发色团”会吸收特定波长的光，其吸收强度与浓度成正比（遵循比尔-朗伯定律）。样品通常被制成溶液或超薄透明薄膜进行测量，以确保数据的准确性。

核心应用

监测老化：紫外光谱能灵敏地检测到老化过程中产生的羰基、亚砜等氧化产物，其吸收峰强度的增加是老化程度的重要标志。研究人员甚至开发了“光谱老化指数”来量化老化。

分析组分与改性：沥青中复杂的化学成分（如SARA四组分）具有独特的紫外“指纹”。通过分析这些指纹，可以追踪老化带来的组分变迁（如芳香分减少、沥青质增加），并评估聚合物改性剂（如SBS）在沥青中的分散状态与降解情况。

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椭偏仪在沥青结合料表征中的应用

沥青胶结料表征用椭偏仪装置及薄膜样品沉积技术

原理与方法

光谱椭偏术是一种非接触、高精度的光学技术。它通过测量偏振光在沥青表面反射后其偏振态发生的微小变化，来反推出材料的光学常数——折射率和消光系数。这些常数直接反映了材料的密度、极化和吸收特性。为了获得准确数据，必须将沥青制成纳米级厚度的均匀薄膜。

核心应用

量化光学性质：椭偏术能精确测量沥青的折射率和消光系数，这些参数会随老化系统性变化，并与沥青的刚度等力学性能相关联。

追踪老化过程：无论是热老化还是更具破坏性的紫外老化，都会在沥青表面形成氧化层，改变其光学常数。椭偏术对这种表面变化极其敏感，能捕捉到早期老化信号。

揭示微观结构：对于聚合物改性沥青，椭偏术还能探测到老化引起的相分离、结晶等微观结构演变。

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紫外光谱与椭偏仪的联合应用

互补性分析

紫外光谱与椭偏仪的联合应用为沥青结合料表征提供了强大框架。紫外光谱擅长阐明化学组成和检测发色团，而椭偏仪则能以纳米精度测量膜厚、表面形貌和光学常数。二者的集成使得能够同步评估分子水平的老化现象和表面/亚表层的物理演化。

研究表明，通过主成分分析和偏最小二乘回归等多变量统计技术融合紫外和椭偏数据集，可提高预测精度和可靠性。这种联合方法在表征生物炭改性和纳米增强沥青等复杂体系时尤其有价值。

结构-性能关系

建立光谱/光学特性与力学/流变特性之间的关联是近期研究焦点。

紫外吸收参数已显示出与复数模量和相位角等流变特性的相关性，表明紫外光谱可用于沥青结合料的快速分级筛查。

椭偏参数，特别是折射率，被发现与针入度值显著相关，暗示椭偏仪可作为评估结合料稠度和刚度的无损工具。

机器学习技术，如人工神经网络和支持向量回归，已被引入以处理光谱和椭偏数据，预测刚度、疲劳寿命等工程性能参数，实现了从纯经验测试向数据驱动无损评估的范式转变。

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现场应用与质量控制

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紫外光谱现场应用：手持式紫外光谱仪的发展使得能够在施工现场直接识别结合料老化和污染。

椭偏仪现场监测：便携式椭偏仪，特别是单波长固定角度椭偏仪，已在可变光照条件下评估表面氧化和膜厚方面展现出可行性。

集成协议：将两种技术纳入沥青生产和铺筑协议，可显著提升质量控制效率，实现早期性能偏差检测，并与性能相关规范的发展趋势相契合。

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先进应用与新兴趋势

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图谱技术与成像应用

紫外荧光显微镜：用于可视化沥青组分（特别是芳香分）的微观结构分布。

成像椭偏仪：扩展了点测量椭偏技术，能够实现折射率和消光系数等光学常数的空间映射，从而检测表面老化梯度和氧化模式。

高光谱成像：将每个像素的光谱信息与空间分辨率相结合，提供多维数据立方体，可同步可视化和量化化学成分、老化指示剂和分散特性。

纳米技术与改性沥青分析

紫外光谱和椭偏仪为表征纳米材料（如碳纳米管、纳米粘土、纳米氧化锌、氧化石墨烯）改性沥青提供了互补能力。紫外光谱用于分析发色团与纳米材料界面的相互作用，而椭偏仪则能高分辨率分析薄膜界面，监测纳米颗粒与沥青分子间界面层的形成。

机器学习与数据分析

人工智能和机器学习与光谱和椭偏数据分析的结合，为沥青表征开辟了变革性途径。

神经网络用于建立紫外光谱特征与沥青性能（如抗氧化性、UV耐久性）之间的非线性关系。

无监督学习用于根据光谱和光学轮廓对结合料类型进行聚类和分类。

预测建模利用ML算法从初始光学性质估算沥青长期性能。

标准化与协议开发

目前尚无专门针对紫外光谱或光谱椭偏仪的ASTM或AASHTO标准。当前努力集中于建立样品制备、测量条件和数据分析的共识程序。ASTM和AASHTO委员会正积极制定标准测试方法。开发针对沥青应用的校准材料和参考标准至关重要。

本综述深入阐述了紫外光谱与光谱椭偏仪在沥青结合料表征中的最新进展，强调了它们在连接分子水平现象与宏观路面性能方面的关键作用。这两种技术提供了互补、无损的手段，用于研究传统上依赖经验或流变学评估的结合料老化、改性和降解领域。紫外光谱已成为检测氧化老化相关官能团转变的强大工具，同时揭示了UV照射下SARA组分的组成变化。椭偏仪则能对光学常数和薄膜形态进行纳米级表征，精确洞察由老化、温度或化学改性诱导的结构演化。将紫外和椭偏数据与机器学习、多变量回归和成像平台相结合，是一个特别有前景的方向。这些组合有助于开发稳健的结构-性能模型、预测性能算法和实时质量控制框架。

Flexfilm全光谱椭偏仪

flexfilm

全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）

• 先进的旋转补偿器测量技术：无测量死角问题。
• 粗糙绒面纳米薄膜的高灵敏测量：先进的光能量增强技术，高信噪比的探测技术。
• 秒级的全光谱测量速度：全光谱测量典型5-10秒。
• 原子层量级的检测灵敏度：测量精度可达0.05nm。

Flexfilm全光谱椭偏仪能非破坏、非接触地原位精确测量超薄图案化薄膜的厚度、折射率,结合费曼仪器全流程薄膜测量技术，助力半导体薄膜材料领域的高质量发展。

#椭偏仪原理#紫外光谱UV#沥青胶结料性能表征

原文参考：《Advancements in ultraviolet (UV) spectroscopy and spectroscopy ellipsometry (SE) for asphalt binder characterization: a State-of-the Art review》

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