激光诱导击穿光谱数据库和含能材料数据库的建立及应用

摘要

数据库因其具有大容量、高效和可靠等优势而受到各行业研究者的青睐，化学学科的快速发展与行业需求等也对数据库提出了更高的要求，亟需建立各类化学专业数据库。其中，随着激光诱导击穿光谱（Laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS)技术和含能材料研究的发展，迫切需要建立LIBS数据库、含能材料及其合成反应路线数据库等。本论文围绕LIBS技术现场在线分析、高性能含能材料的筛选与合成等方面存在的实际问题，将计算机、数据库技术与化学计量学方法相结合，首先建立了基本型和冶金专属型LIBS数据库，用于钢材牌号和炉渣种类识别，构建了LIBS光谱预处理与分析系统；其次建立了含能材料的基础化合物数据库、反应知识数据库和谱图数据库，并将其分别应用于含能材料的筛选、虚拟合成和谱图匹配分析，构建了相关的软件系统。该研究丰富了化学数据库和化学计量学的研究内容，奠定了LIBS光谱仪器的研发及现场分析应用的基础，为高性能含能材料的开发提供了新方法，亦可为冶金、地质和石油等相关行业领域的科研与生产提供信息、方法和技术支撑。全文共分四章，主要研究内容如下：　　1、以激光诱导击穿光谱为研究对象，建立了基本型LIBS数据库、冶金专属型LIBS数据库，并将其分别用于钢材牌号识别，提出了基于LIBS数据库的元素比对法和基于LIBS数据库的相似度匹配法：用于炉渣种类识别，提出了基于LIBS数据库的变量重要性随机森林法；以所构建判别分析方法为基础，建立了LIBS光谱预处理与分析系统。与传统的钢材牌号和炉渣种类判别分析方法相比较，该研究提出的三种方法均具有无需复杂样品前处理、简单快速和准确度高等优点；所建立的LIBS光谱预处理与分析系统不仅可用于LIBS仪器数据快速处理，还可用于冶金、地质、石油等领域实现样品的自动在线识别与定性分析。　　2、以含能材料为研究对象，分别建立了其基础化合物数据库、反应知识数据库和谱图数据库，将其分别应用于含能材料筛选、虚拟合成和谱图数据库管理。其中，将其用于含能材料筛选提出了基于基础化合物数据库的神经网络偏最小二乘和遗传算法支持向量机用于含能化合物爆轰性能预测的方法，并以这两种方法及其他建模方法为基础，构建了含能材料性能预估系统；用于含能材料的虚拟合成，通过对化学分子结构的编码方式、匹配算法、拆分规则等内容的研究，设计并实现了含能化合物虚拟合成系统：用于含能材料谱图数据库管理，依据化合物红外光谱、质谱等四类谱图的特点，研究了基于数据库的快速谱图匹配算法，建立了含能材料谱图数据库管理系统。研究表明，构建的三种系统分别可用于含能材料的爆轰性能计算、虚拟合成及定性分析，具有操作简便、界面友好和运行可靠等优点，而且还具有可提高高性能含能材料筛选的命中率、缩短研发周期的特点。该研究丰富了化学计量学和数据库的研究内容，可为含能材料、功能材料和药物的研发提供了新思路、方法和技术支撑。

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