（光学工程专业论文）基于激光诱导的材料热扩散率检测.pdf

0 ：0s 譬! 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：垒盎日期：沙扣年s 月彩日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：地 日期：叫9 年5 月彩日 摘要 y 1714 14 艿。 摘要 本论文采用基于激光诱导的检测方法：改进后的光声压电法与时频域光热辐 射技术分别对工程塑料及金属膜材料的热扩散率进行了测量，得到了有效的实验 结果。 l 、改进后的光声压电( p a p e ) 法对工程塑料热扩散率的研究。首先，基于传统 的p a p e 理论模型对改进后的p a p e 理论进行了推导，并搭建相应的实验系统。其 次，通过对参考样品铝和聚四氟乙烯( p t f e ) 的检测完成了实验系统的校准和验证。 最后，对八种常用工程塑料的热扩散率进行了测量，测量结果显示其热扩散率均 小于0 4 m m 2 s ，具有良好的隔热性能。通过理论和实验研究结果表明，改进后的 光声压电法可以准确测量工程塑料的热扩散率。 2 、频域光热辐射( p t r ) 技术对金属膜材料热扩散率的检测。首先，建立了频域 p t r 理论的温度场和辐射场理论模型。其次，介绍了真空腔的设计与制作，并搭 建了相应的实验系统。再次，在不同真空度下，对不锈钢、黄铜、紫铜三种金属 膜材料的测量结果表明，空气对热辐射信号有很大影响，真空腔的制作是很有必 要的。最后，对真空度为1 0 3 帕时的实验数据与理论曲线拟合。结果表明频域p t r 技术可以较准确的测量金属膜材料的热扩散率。 3 、时域p t r 技术对金属膜材料热扩散率的检测。首先，根据频域p t r 理论 及叠加定理推导出时域p t r 理论的温度场和辐射场表达式。其次，根据理论模型 搭建实验系统，得到不锈钢、黄铜、紫铜三种样品在调制频率为1 h z 、3 h z 、5 h z 、 7 h z 时的热辐射信号幅度随时间的变化曲线。最后，对实验数据进行坏点处理及单 周期提取，并与理论曲线拟合。拟合结果不理想，时域p t r 理论还有待改进。 通过本论文的研究，得到如下结论：改进后的p a p e 法相对于传统检测方法具 有更高的精度且能有效地检测工程塑料等较软材料的热扩散率；频域p t r 技术可 以有效地测量金属膜材料的热扩散；时域p t r 技术对金属膜材料的测量获得了较 好的实验结果，但是其理论还有待进一步研究。 关键词：热扩散率，光声压电技术，光热辐射技术，工程塑料，金属膜材料 。 、- a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，b a s e do nl a s e r - i n d u c e dd e t e c t i o nm e t h o d s ，t h er e v i s e dp h o t o a c o u s t i cp i e z o e l e c t r i c ( p a p e ) t e c h n i q u ea n dt h ep h o t o t h e r m a lr a d i o m e t r y ( p a 2 ) t e c h n i q u ew h i c hi n c l u d i n gt h et i m ea n d f r e q u e n c yd o m a i nh a v e b e e ns t u d i e d t h et h e r m a ld i f f u s i v i t i e so fe n g i n e e r i n g p l a s t i c sa n dm e t a lf i l m m a t e r i a l sh a v e b e e nm e a s u r e de f f e c t i v e l y 1 t h em e a s u r e m e n to fe n g i n e e r i n gp l a s t i c s d i f f u s i v i t yb yt h er e v i s e dp a p e t e c h n i q u e f i r s t l y , t h e r e v i s e dp a p em e t h o dw a sp r o p o s e db a s e do nt h et r a d i t i o n a lp a p et h e o r ya n dt h ec o r r e s p o n d i n g e x p e r i m e n t a ls y s t e mw a ss e tu p s e c o n d l y , t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mw a sc a l i b r a t e da n dt e s t e db y i n v e s t i g a t i n gt h ed i f f u s i v i t yo fp u r ea l u m i n u ma n dp t f e f i n a l l y , t h et h e r m a ld i f f u s i v i t i e so f e i g h tk i n d so fe n g i n e e r i n gp l a s t i c sw e r em e a s u r e db yt h er e v i s e dp a p em e t h o d t h er e s u l t s s h o wt h a te n g i n e e r i n gp l a s t i c sh a v ee x c e l l e n ti n s u l a t i o np r o p e r t i e sa n dt h ed i f f u s i v i t i e sa r eu n d e r 0 4 m m 2 s t h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h er e v i s e dp a p em e t h o dc a r lb e u s e dt oa c c u r a t e l ym e a s u r et h et h e r m a ld i f f u s i v i t yo fe n g i n e e r i n g p l a s t i c s 2 t h em e a s u r e m e n to fm e t a lf i l mm a t e r i a l s d i f f u s i v i t yb yt h ef r e q u e n c yd o m a i np t r t e c h n i q u e f i r s t l y , t h et e m p e r a t u r ea n dr a d i a t i o nf i e l dt h e o r yo ff r e q u e n c yd o m a i np t rm e t h o dw a s e s t a b l i s h e d s e c o n d l y , t h ed e s i g na n df a b r i c a t i o no ft h ev a c u u mc h a m b e rw a si n t r o d u c e da n dt h e c o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e mw a ss e tu p t h i r d l y , t h r e em e t a lf i l m m a t e r i a l s ：s t a i n l e s s s t e e l ，b r a s s ，c o p p e rw e r em e a s u r e du n d e rd i f f e r e n tv a c u u m ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea i rh a s g r e a ti n f l u e n c eo np t rs i g n a l s ，t h u st h eu s eo fv a c u u mc h a m b e ri sn e c e s s a r y f i n a l l y , t h e e x p e r i m e n t a ld a t ao nt h ev a c u u mo f10 。3p aw a sf i t t e dt ot h et h e o r e t i c a lc a l l v e t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ef r e q u e n c y - d o m a i np t rm e t h o dc o u l da c c u r a t e l ym 1 , 羞l s u r et h ed i t f i a s i v i t yo fm e t a lf i l m m a t e r i a l 3 t h em e a s u r e m e n to fm e t a lf i l mm a t e r i a l s d i f f u s i v i t yb yt h et i m ed o m a i nm t e c h n i q u e f i r s t l y , t h et e m p e r a t u r ea n dr a d i a t i o nf i e l dt h e o r yo ft i m ed o m a i np t rm e t h o dw a se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt o t h et h e o r yo ff r e q u e n c yd o m a i np t rt e c h n i q u ea n ds u p e r p o s i t i o nt h e o r e m s e c o n d l y , e x p e r i m e n t a ls y s t e mw a sb u i l ta c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a lm o d e l ，a n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h et h r e ek i n d so fm e t a lf i l mm a t e r i a l sw e r eo b t a i n e da td i f f e r e n t m o d u l a t i o nf r e q u e n c i e s f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a ld a t aw e r ep r o c e s s e da n df i t t e dt ot h e o r e t i c a l c u r v e f i t t i n gr e s u l t sa r ep o o r , a n dt h et i m e - d o m a i np t rt h e o r yn e e dt ob ei m p r o v e d t h r o u g h t h i st h e s i s ，t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e d ：t h er e v i s e dp a p em e t h o di nr e g a r d t ot h et r a d i t i o n a ld e t e c t i o nm e t h o dh a sh i g h e ra c c u r a c ya n dc a na c c u r a t e l yd e t e c tt h et h e r m a l d i f f u s i v i t yo fe n g i n e e r i n gp l a s t i c sa n do t h e rs o f tm a t e r i a l s ；t h ef r e q u e n c yd o m a i np t rt e c h n i q u e c a l le f f e c t i v e l ym e a s u r et h et h e r m a ld i f f u s i v i t yo fm e t a lf i l mm a t e r i a l s ；t h et i m ed o m a i np t r 蛐q i l e h 勰g o t g 。o d 懿阿m 锄t a l d a 鸭b u t 舭血e 0 巧n d s f i l 】曲既s n l 衄 l k e y w o r d s ：t h e r m a ld i f f u s i v i t y , p a p e ，p t r , e n g i n e e r i n gp l a s t i c s ，m e t a lf i l mm a t e r i a l s i i i 目录 目录 第一章绪论1 1 1 研究意义一1 1 2 研究背景1 1 3 热扩散率的一般概念2 1 4 基于激光诱导的两种材料热扩散率检测方法介绍3 1 4 1 光热辐射测量法4 1 4 2 光声压电测量法6 1 5 本课题的主要研究内容7 第二章理论介绍9 2 1 改进后的光声压电理论介绍9 2 1 1 光声效应9 2 1 2 压电效应一1 0 2 1 3 热弹理论1o 2 1 4 薄板弹性理论1 2 2 1 5 基于简化热弹理论模型的光声压电理论1 4 2 1 5 1 交变温度场分析15 2 1 5 2 压电输出信号1 9 2 1 6 改进后的光声压电理论模型2 0 2 2 光热辐射理论介绍2 3 2 2 1 光热辐射基本理论2 3 2 2 1 1 普朗克黑体辐射定律2 3 2 2 1 2 朗伯余弦定律2 4 2 2 1 3 基尔霍夫定律2 5 2 2 1 4 立体角2 5 2 2 1 5 红外探测器原理2 6 2 2 2 光热辐射理论2 7 2 2 2 1 光热辐射测量原理2 7 2 2 2 2 温度场2 8 l v 目录 2 2 2 3 辐射场31 2 3 总结3 3 第三章改进后的p a p e 法对工程塑料热扩散率的测量3 4 3 1 实验系统的搭建3 4 3 2 实验系统验证3 5 3 2 1 改进模型提高精度验证3 5 3 2 2 工程塑料类材料测量验证3 5 3 3 工程塑料热扩散率测量及分析3 6 3 4 影响实验结果准确性的诸因素分析3 8 3 5 总结3 9 第四章p t r 法对金属膜材料热扩散率的测量4 0 4 1 真空腔的设计与制作4 0 4 2 频域p t r 法对金属膜材料热扩散率的测量。4 4 4 2 1 实验系统的建立4 4 4 2 2 实验结果与分析4 4 4 2 2 1 不同真空度下样品的实验结果对比4 4 4 2 2 2 金属膜材料热扩散率测量4 6 4 2 2 3 结果分析4 8 4 3 时域p t r 法对金属膜材料热扩散率的测量4 8 4 3 1 实验系统的建立4 8 4 3 2 实验结果与分析4 9 4 3 3 实验数据处理及分析5 2 4 4 总结5 4 第五章总结与展望5 6 5 1 全文总结5 6 5 2 展望5 7 致 射5 8 参考文献5 9 攻读硕士期间取得的研究成果6 2 v 第一章绪论 1 1 研究意义 第一章绪论 随着科学技术的快速发展，各种新材料层出不穷，对材料内在性能的研究显 得愈发重要。对于材料来说有许多反映材料性质的物理参数，如密度、比热、热 扩散率、热溢出率，另外还有熔点、粘度、热发射率、热吸收率、热反射率等。 其中热扩散率是材料最重要的热物理性质之一，它反映了材料传输热能的快慢， 这对于许多科学和技术领域是很重要的。 在电子领域中，热扩散率的大小在很多情况下都会直接影响到各类电子器件 的工作性能和使用寿命。而随着电子器件性能的提升，会带来更多的热量，进而 使得对器件以及散热系统的热性能研究变得愈发重要。如现在的电脑、手机、m p 4 等电子设备，其性能在不断提高，体积在不断缩小，大规模集成电路中带来了更 多的热量也更加严重的影响到其内部芯片的性能及寿命，所以在电子器件的生产 和封装过程中必须考虑散热的因素，采用高热扩散率的材料，就能使其迅速散热， 从而改善内部芯片的性能并延长使用寿命。应用于航空航天等高科技领域的薄膜 材料，其热扩散率的大小与镀膜技术和制备工艺紧密相关，需要精确的测量其热 扩散率，若出现很小的误差都将会影响整个高科技系统的运行，甚至会导致整个 系统瘫痪。由此可见，材料的热扩散率是许多科学和技术领域必须考虑的主要因 素，在生产生活中具有重要的意义。 1 2 研究背景 早在1 9 世纪8 0 年代年，贝尔就在固体中观察到了光声转换现象，并称这种 物理现象为光声效应【i 】。本课题所采用的基于激光诱导的检测技术就是在物质的光 声效应基础上发展起来的。光声效应最初应用于对气体的研究，1 9 4 6 年苏联学者 g o r e l i k 首先提出了用光声技术测量气体振动弛豫速率的方法，以后各国学者陆续 报道了有关气体光声效应的理论研究情况，但总的来说那时候的光声效应研究工 作还处于缓慢发展的阶段。 到了2 0 世纪7 0 年代，随着强光源氙灯和各种激光器的相继问世，人们才真 电子科技大学硕士学位论文 正的对光声效应产生了兴趣，研究对象由气体扩大到了固体和液体，基于激光诱 导的光声检测技术得到迅速发展。以r o s e n c w e i g ，p a t e l ，k r e u z e r 和英国的k i r k b r i g h t 为代表的科学家做了许多开拓性的工作，其中r o s e n c w e i g 等建立了一维固体光声 理论【2 1 ，简称r g 理论。虽然后来一些学者对r g 理论做了一些改善，但是，至今 r g 理论仍然是分析光声效应实验结果的重要理论依据。 近年来，各国科学家对基于激光诱导的检测技术进行了更加广泛深入的研究， 根据实验结果，对理论模型做了更符合实际的修改，研究对象涉及到有机、无机、 金属、半导体等材料的物理化学性质，从而在生物、化学、医药、新材料及基础 研究等方面引起了人们的广泛注意。就发表的文献来看，已经成功测量了各种体 材料、膜材料、生物组织及各向异性材料的热扩散率。基于激光诱导的检测技术 不仅用于研究各种物质的物理性能和光谱特性，而且也可用于研究亚表面无损成 像，并取得了良好的成果。 1 3 热扩散率的一般概念 根据传热机理的不同，热量传递有三种基本方式【3 】：导热、对流和热辐射。热 扩散率的定义来源于热传导理论。在金属导体中，热传导的过程是由两种相互独 立的机制完成的：依靠晶格波的振动和原子的运动、依靠自由电子的平移运动。 两种机制各自起作用的大小随材料的结构、纯度的不同而有所变化。在纯金属中， 热传导的机制主要依赖于自由电子的平移运动。在绝缘材料中，热传导的机制是 基于原子诱发的晶格波的振动，类似于热辐射在空间的热传导过程。本文对金属 导体和工程塑料等绝缘材料的热性能进行了研究，它们的热传导机制有很大不同， 其热扩散率值差别很大。 在热传导理论中，热能的传递由傅里叶定律【4 】描述： g = - k a a t 彻 ( 1 1 ) 其中a 丁锄为在面积a 的法线方向的温度梯度，茁为热传导系数，单位w ( m k ) ， 单位的另一种形式为w ( m 2 ) ( k m ) ，由此可以看出热传导系数的物理意义是：单位 温度梯度下通过单位面积的热流功率。 用c 表示物体的比热，p 表示物体的密度，口表示热扩散率，则有： 口= l c c p( 1 2 ) 第一章绪论 下面用热传导方程说明热扩散率的物理意义。假设物体有内热源，并在物体内部 产生一个温度的梯度场，内热源通过温度梯度场来对物体内部其它没有热源的点 进行热传导。对于物体内热源以外的点的温度u 可由无源热传导方程描述： 竺=鳓ucp k vu ( 1 3 ) = 。 il - j l 。 夙 改写成如下形式： a u 国= a v 2 u ( 1 - 4 ) 从以上公式可以看出热扩散率口是联系温度场的空间分布和时间分布的物理量。 对于物体内部任一点来说，v 2 u 项表示热源对该点的影响，即该点温度变化的原 因。从上式可以看出在一定的温度梯度( 热源一定) 分布下，当物体的热扩散率口越 大时，a u 魂项越大，即该点温度变化越快，表明热扩散率口是描述热能在物体 内扩散快慢的物理量。对于人体来说，对温度的感觉热扩散率比热导率更直接， 热导率大的材料并不一定会使你感到热量在物体中的迅速传播；而热扩散率大的 材料就能使你感到热能很快从这头传到了那头，所以多数情况下对物体的热扩散 率进行研究。 1 4 基于激光诱导的两种材料热扩散率检测方法介绍 目前，测量材料热扩散率的方法很多，但基于激光诱导的材料热扩散率测量 方法是材料热性能检测的重要手段，其中光声光热效应是其重要的物理基础。光 声光热效应是由于物质吸收强度随时间变化的光束或其他能量束而被时变加热( 即 指加热随时间而变化) 时所引起的一系列热效应和声效应。如图1 1 所示，试样在 光照加热后，其内部及与其相邻媒质中便产生了一系列相应的效应。这些效应为 我们提供了激光诱导检测的各种信息，并已经形成了各自相应的检测理论。如光 热偏转法【卯、瞬态热栅法【6 1 、光热辐射测量法( p t r ) 【7 1 、光声压电法( p a p e ) 【8 】和光热 位移法【9 】等。下面对本文所涉及的p t r 法及p a p e 法进行简单介绍。 电子科技大学硕士学位论文 气体 样品 七一 1r 1r tt 圣 图1 1 样品在激光加热时产生的各种效应 1 4 1 光热辐射测量法 光热辐射( p t r ) 技术是一种主动探测的无损红外检测技术。与光声谱技术 ( p a s ) 、光热偏转技术( p t d ) 和光热透镜技术( p 一起都属于热波检测技术。p t r 技术与p a s 技术相比具有在实验过程中不需要使被测样品与探测器保持接触的优 点，还克服了p a s 方法在检测中对样品尺寸有一定限制的缺点。与p d t 、p l t 相 比，p t r 技术只需要泵浦光，无需检测光，实验装置简单，调节方便。总之，p t r 技术具有无接触、无损伤、灵敏度高、响应快的特点，特别适用于真空、高温、 高压等特殊环境中的样品的遥感测量，且对被测样品尺寸无须限制，并可利用红 外探测器响应快的特点进行实时记录，所以在测量方面有广泛的应用。 基于r o s e n c w a i g 的光声理论，1 9 7 9 年k a n s t a d 和n o r d a l 报道了光热( p t ) 技术， 当时的技术主要用来测量粉末和固态样品的吸收光谱。其后，b u s s eg ，s a n t o sr 等进一步研究了该问题，在的文章中建立了单脉冲激光作用于固体材料的温度场 模型。管国兴等在s a n t o sr 等的研究基础上推导出了连续调制激光加热样品后探 测器可探得的振幅信号和位相信号的解析表达式【10 1 ，后来钱霖等进一步提出了光 热辐射的三维理论模型l l 】并对各向异性材料的热扩散率进行了分析【l2 1 。近年来， 随着先进激光器和探测器的出现，p t r 技术在国内外得到了快速的发展，如加拿 大多伦多大学的a n d r e a sm a n d e l i s 团队利用p t r 技术已经对薄膜材料【l3 1 ，层状材 料【1 4 】，生物材料【1 5 】等各种类型及式样的材料【1 6 】的热物理性质进行了测量研究，同 时在深层成像【l7 j 等方面的研究取也得了有效的成果。 4 第一章绪论 光热辐射测量技术的一般工作原理是：样品被调制激光照射而产生温升，从 而产生红外热辐射，通过红外探头对样品所产生的红外热辐射信号进行检测，即 可得到相应的p t r 信号，其中包含了样品有关吸收系数、热扩散系数、分层结构及 尺度等方面的信息。如图1 2 所示为光热辐射一维热传导模型。入射调制激光均匀 照射到样品表面，试样由于吸收光能而引起周期性的温度涨落和红外辐射的变化， 利用合适的红外探测器，即可检测到试样产生的光热信号。 样品 入射激光 慧 红钵樱邈 广 闼 l x = - 0 x l x 图1 - 2 光热辐射一维热传导理论模型 入射激光的调制频率为厂，其强度为i = i o 1 + c x p ( i 缈t ) 】，其中厶为入射激光强 度的幅值，缈= 2 ：r f 为调制频率，f 为虚数，则由黑体辐射定律可以得到试样热辐 射的变化量为册= 4 t y t t 3 艿r ，式中o r 为斯忒藩一玻尔兹曼常数，f 为样品的发射率， ? 为试样表面静态温度，形为试样的辐射出射度。由于红外探头输出的光热信号 正比于删，利用一维热传导模型处理，即可得到试样的散射光热信号的振幅与相 位表达式，对测得的实验数据与理论表达式利用最小二乘法拟合，即可得到材料 的热扩散率。 红外探测器可以放在光束的同一侧，以接受试样前表面发射的红外辐射，又 称为“背向散射光热辐射”，也可以放在试样的另一侧来接收试样后表面发射的红 外辐射，又叫“透射光热辐射 ( 如图1 2 所示) 。两种方法都属于非接触的遥感检 测，但是背向测量时探头容易接收到杂散光，影响实验结果，所以一般都采用透 射测量法。 虽然光热辐射测量技术具有许多优点，但也有不足之处，这主要表现在：1 、 试样表面发射率对测量结果的影响。2 、大气对红外吸收的影响，并存在对流和辐 电子科技大学硕士学位论文 射造成热的损失。3 、热源功率对测量结果的影响：太高会对试样造成损伤，太低 则热辐射信号太小，难以检测到。4 、对比度和信噪比太小会使得热辐射信号过小， 检测困难。5 、由于检测信号随时间变化很快，需要高响应度的红外检测仪器。 p t r 法可以分为时域和频域两种检测方法，现阶段国内外的研究主要采用频 域p t r 法对材料进行测量，而关于时域p t r 法的文章却很少。两种方法各有优缺 点：频域p t r 法理论分析简单，但是对实验设备要求比较高，难以获得稳定有效 的实验数据；时域p t r 法理论分析较为复杂，但是实验方法简单，容易获得稳定 的实验结果。本论文同时利用两种p t r 检测方法对金属膜材料的热扩散率进行了 测量。 1 4 2 光声压电测量法 压电效应是由居里在1 8 8 0 年发现，与贝尔发现光声效应是在同一年。通过光 声效应能够判别压电效应的强弱，利用压电效应及相应的压电材料能制成研究光 声效应的探测器。某些电介质在机械应力作用下发生形变时，在相应的表面上会 产生数量相等符号相反的束缚电荷，当机械应力不太大时，电荷密度与外加应力 成正比。压电效应即是指电介质晶体在外界应力作用下激起介质晶体表面电荷的 效应。具有压电效应的材料即称为压电体。现在已经发现的压电体有数千种之多， 但是在光声检测中用得最多的压电材料是压电陶瓷。 光声压电技术即是指通过压电材料检测光声信号的一类检测技术，最初是由 r o s e n c w a i g 博j 在2 0 世纪7 0 年代提出的，并建立了一维固体光声理论，简称r g 理论。1 9 8 0 年，j a c k o n 和a m d l 9 】对r g 理论进行了严密推导，但是计算过程仍 然较复杂。1 9 9 6 年，b l o n s k i j t 2 0 】等对j a e k o n 和a m e l 的推导结论进行了简化，得到 了简化的热弹理论模型，可以用简单的解析方法计算出材料的热扩散率。近年来， 利用该简化的热弹理论模型，已经成功测量了金属、复合材料2 1 】【冽及生物组织【2 3 】 的等效热扩散率，并对光声压电技术测量材料热扩散率的方法进行了精度分析【2 4 1 。 2 0 0 8 年，随着光声压电双层理论模型【2 5 】的提出，使得材料热扩散率的测量更精确。 通过5 0 2 胶等胶粘剂把压电材料直接耦合到样品的表面，根据光声效应和压 电效应就可以直接检测试样中的光声信号，这就是光声压电检测。压电陶瓷材料 有较宽的频率响应，因此可用于固体、液体试样的光声检测。光声压电检测技术 具有实验简单、紧凑、检测频响宽的特点，并且这种直接耦合检测的测量方式具 有较高的灵敏度。因此光声压电测量方法可以克服其他测量方法的一些不足，能 6 第一章绪论 够高效地、可靠地检测材料的热扩散率。在这种检测方式中压电换能器必须与试 样有良好的声耦合，否则将直接影响检测信号的信噪比。 p a p e 技术的基本原理是：经过周期性调制的激光垂直入射样品表面，表面吸 收光能，形成周期性的热源，导致试样内应变和应力周期性的变化而产生声波， 该声信号被粘贴在背面的压电换能器所检测。光声压电检测理论模型如图1 3 所示， 试样为圆片状，具有相同半径的p z t 压电换能器良好粘贴在样品的背面。 入射激光 样品 p z t 图1 - 3 光声压电检测技术理论模型 在简化的平均温度场和薄板理论的前提下，得出了样品简化的光声压电信号 幅度和相位公式( 将在理论部分进行详细推导) 。因此，测得不同频率下光声压电信 号的振幅和相位，再与理论表达式进行拟合计算，即可确定样品的热扩散率。 以上理论是传统的p a p e 热弹简化理论模型，虽然实验简单，但是测量不够准 确，且只适用于测量金属等较硬材料的热扩散率。2 0 0 8 年，随着光声压电双层理 论模型的提出，相较于传统理论提高了测量精度，同时也适用于测量各种不同硬 度的样品材料。但是，双层理论模型复杂，且涉及到多参数拟合，提高了测试的 难度。对于此，本文提出了改进后的p a p e 理论模型对双层理论模型进行简化计算， 并对工程塑料的等效热扩散率进行了测量。 1 5 本课题的主要研究内容 本论文采用基于激光诱导的检测方法：改进后的光声压电法与时频域光热辐 射技术分别对工程塑料及金属膜材料的热扩散率进行了测量研究，两种测量方式 都在传统光声光热理论的基础上加以改进，能更加精确的测量材料的热扩散率， 并具有更广的适用范围。本文的研究目的是建立光声光热的理论模型，然后用计 算机编程并结合实验数据进行拟合，从而得到材料的热扩散率。基于激光诱导的 检测技术采用激光作为热源，而激光的时间分布有许多形式，如脉冲激光，正弦 调制激光等，本文实验时使用的是方波调制的激光。而对于光声光热信号的检测 7 电子科技大学硕士学位论文 方式来说，本文利用压电换能器对光声信号进行检测，利用红外探头对光热信号 进行探测且两种检测方式研究的样品必须是均匀且各向同性的，内部没有缺陷或 杂质等。本文对样品温度场进行了三维理论模型分析，因为一维模型有一定的局 限性，在一般情况下只适用于较高调制频率的时候【2 6 1 ，而三维理论模型可以同时 适用于高频端和低频端。具体的相关理论及实验将在后文进行详细介绍。本文的 主要内容如下： ( 1 ) 根据传统的光声压电及光热辐射基本理论分别对改进后的p a p e 法及时频 域p t r 法进行了理论推导( 第二章) 。 ( 2 ) 根据改进后的p a p e 理论模型搭建相应的实验系统，通过对参考样品铝和 聚四氟乙烯的检测，完成了实验系统的校准和验证。最后对八种常用工程塑料的 热扩散率进行t n 量( 第三章) 。 ( 3 ) 根据时频域p t r 理论模型设计制作了实验用的真空腔并搭建了相应的实 验系统。利用两种检测方法对三种金属膜材料：紫铜、不锈钢、黄铜的热扩散率 进行了测量。测量结果发现，频域p t r 法能较准确的测量金属膜材料的热扩散率， 而时域p t r 法还亟待改进( 第四章) 。 ( 4 ) 对全文的总结及展望( 第五章) 。 第二章理论介绍 第二章理论介绍 2 1 改进后的光声压电理论介绍 光声压电效应是以光声效应、压电效应为基础的，其中包括热能、应力应变、 电能的相互转化。下面对以上基本理论进行简单介绍。 2 1 1 光声效应 光声效应是当物质受到周期性强度调制的光照射时产生声信号的现象，是光热 效应和热声效应的结合。光声效应的机理是：当物质受到激光照射时，物质因吸收光 能而受激发，然后通过非辐射消除激发的过程使吸收的光能( 全部或部分) 转变为 热。在气体中，这些热能表现为气体分子的动能，而在固体或液体中，热能表现 为原子或离子的振动能。如果照射的光束是经过周期性强度调制的，则在物质内 产生温度变化也是周期性的，使得这部分物质及其邻近媒质通过热胀冷缩而产生 应力的周期性变化，从而激发出声信号，此种信号就称为光声信号。 光致声波的机理与光强及作用的介质有关，大致可归纳为以下四种：电致伸 缩机理、热膨胀机理、汽化发声机理和介质的光电击穿机理。对于固体材料，根 据固体表面条件和入射激光功率密度的不同，固体中激光激励声波的机理一般可 分为烧蚀激发机理和热弹激发机理。本文所讲的光致声波就是热弹激发效应。热 弹激发的基本原理为：当入射激光照射到不透明固体表面上时，它的能量一部分 被反射，另外一部分被吸收，并转化为热能，使样品表面产生几十到几百度的升 温。对于一些热导率很大的样品，光的吸收只发生在其表面以下几微米的范围内， 吸收光能的浅表部分由于温升而发生热膨胀。当样品表面处于自由状态时，浅表 层的体积膨胀可以激发出横波、纵波、表面波。固体内部光声信号声波方程表达 式如下【2 7 】： 甜( x ) = 么p 船+ 。p 一触+ 刁丽o a j up 似一刁丽f l g t u e 肛 ( 2 1 ) 9 电子科技大学硕士学位论文 u = 曼e e = 2 k ( f l 壁z 墨- o z ) 吲，居 其中“( z ) 表示物体内任一点x 处的位移，a 、d 是待定系数，可由边界条件求 得，k 是热导系数，d 是热扩散率，是线性热膨胀系数，万是调制角频率，是 固体光吸收系数，厶是入射激光光强。 2 1 2 压电效应 压电效应是材料中一种机械能与电能互换的现象，此现象最早在1 8 8 0 年由皮 埃尔居里和雅克居里兄弟发现。压电现象是指当某些晶体受到机械力而发生拉伸 或压缩时，晶体相对的两个表面出现等量异号电荷的现象。由介电理论可知，在 电场作用之下，介电物质中带有不同电性的电荷间会产生相对的位移，此相对位 移的存在使介电物质内存在有电偶极或双极，此种现象就称为极化。但是在某些 物质中，除了可以由电场产生极化以外，还可以由机械作用来产生极化现象，并 导致在介电物质的两端表面上出现电性相反的束缚电荷，此电荷的密度与所加之 外力成正比，这就是压电效应的原理。具有压电效应的介质，称之为压电体，压 电体有正压电效应和逆压电效应两种。 正压电效应是指当晶体受到外力作用时，由于其结晶点阵的特殊结构，它们 相对的两个表面就会出现异号电荷，外力与端面积越大，则出现的电荷就越多， 端面电荷的符号视外力方向而定。当压电体发生机械形变时，其极化强度随之而 变，导致表面吸附的自由电荷也发生变化。若将两个表面都装上电极并用导线接 通，变化的自由电荷便从一个极板移至另一极板，形成电流。 逆压电效应是指当压电体上加电场时，压电体会发生机械形变( 伸长或缩短) ， 如果压电体上加交变电场，则压电体就会交替出现伸长和压缩，即发生机械振动。 在光声检测中，主要利用正压电效应，即试样受强度调制的入射光照射而产 生应力波传递到压电换能器上，因正压电效应而输出光声信号。 2 1 3 热弹理论 l o 第二章理论介绍 热弹理论是研究物体因受热造成的非均匀温度场在弹性范围内产生的应力和 应变的问题。物体受热时，物体的各部分将因温度升高而向外膨胀。若物体每一 部分都能自由膨胀，虽有应变也不出现应力。若物体每一部分不能自由膨胀，各 部分之间会因相互制约而产生应力，又称为热应力。 热弹性力学中通常取物体的绝对温度r 作为独立的状态参数，以x 表示质点， 则t = t ( x ，f ) 。或者以一组表示变形的运动学参数来表示：如质点的空间坐标 玉- - - x , ( x ，f ) ，f = 1 ，2 ，3 ，或质点的位移u ，= u i ( 彳，f ) ， 或质点的应变 = r i j ( x ，f ) ，i ，j = 1 ，2 ，3 ，以及质点的变形梯度磊= 磊( 置f ) ，i , j = 1 ，2 ，3 。 热弹性理论可以归结为以下几组方程【2 8 】： 1 应变位移关系式 ：誓，如：誓，：丝+ ! 兰( 2 - 2 a ) 。蔷如2 i 。彳+ 了苗 矿7 1 歹1 面0 锄r + 等一等) 式中哆，”口和“：分别是径向，环向和轴向的位移。 2 应力、应变、温度的本构方程 o r r = 2 y + 2 e - f i b o 卿= 2 “y 冲+ 九e p 9 6 ：= 2 f l y = + 2 e 一8 8 o r 9 2 a 矿= 2 l y , 口 1 1 ( 2 2 b ) ( 2 2 c ) ( 2 2 d ) ( 2 - 3 a ) ( 2 - 3 b ) ( 2 3 c ) ( 2 3 d ) 丝却 出 丝咖 丝瑟 k 锄 锄咳 堕勿 ，气 土2 ： = 旷7 电子科技大学硕士学位论文 = = 2 b y , = 吒p = 2 ( 2 3 e ) ( 2 - 3 f ) 式中仃是匝力，y 是匣焚，曰表不温度。 3 拟静态的热弹性运动方程 ( 元+ 2 肋雾一2 ( ；1 瓦3t 1i o u 口, + 等) 一万l 面o u 】 一旦!(誓一丝)】)一塑+岛z：o(2-4a)oz 2 、瑟o r 。o r ” ( 2 + 2 b ) l 哪o e 却( 触嚣一誓) 】 一瓦o 。l 石o u p + 等) 一万l 面o u r 】) 一p l 厂d o 缈o + 岛= o ( 2 4 b ) ( m 力争2 ，t ( 伊o 2 r ( 百o u 一铷 a zro r 三a zo r 一耐o 三l 丽o u _ + 誓) 】) 一警+ p o f - = 。 ( 2 删 式中f ，l 和f - 分别是单位质