[发明专利]表征体材料的热扩散率的双波长闪光拉曼方法

说明书

本发明提出了一种表征体材料的热扩散率的双波长闪光拉曼方法。该方法包括：(1)使用加热脉冲激光对体材料的表面温度进行周期性改变，并使用与加热脉冲激光波长不同的探测脉冲激光测量体材料的表面温度；(2)通过改变加热脉冲和探测脉冲之间的时间偏差，获得体材料的表面温度随时间偏差变化的升温降温曲线，确定体材料的升温降温曲线；(3)基于升温降温曲线，确定体材料的热扩散率。本发明的测量方法为无损测量，无需在体材料表面覆盖涂层或加贴热电偶，对材料表面粗糙度和材料尺寸也无特殊要求，有很高的时间分辨率，还可用于非均匀体材料局部热扩散率的测量，可应用的样品范围更广，表征的体材料热扩散率的准确性更好、灵敏度更高。

技术领域

本发明涉及体材料热物性测试领域，具体的，本发明涉及表征体材料的热扩散率的热扩散率的双波长闪光拉曼方法。

背景技术

热扩散率是材料最基础的热物性之一，对材料热扩散率的标定，是其在工业领域应用的先决条件。常见的体材料热扩散率测量方法，主要包括周期热流法、闪光法(激光脉冲法)、蜃景效应法和瞬态热栅法等方法。

周期性热流法(Lamvik M.,International Journal of Thermophysics,1980,1(2):233-242.)是在样品是在圆柱形试样一端加周期性变化的热流扰动，在另一端使用热电偶测量温度变化的幅值和相位差，从而得到样品的热扩散率。闪光法(Parker W J,etal.,Journal of Applied Physics,1961,32(9):1679-1684.)通过在圆柱形试样上表面加脉冲光加热，在下表面通过热电偶等方法测量样品温度变化，进而得到热扩散率。然而，周期热流法和激光脉冲法对样品形状有一定限制，对样品尺寸的测量要求较高；还需满足均匀加热的假设，忽略了样品径向的温度分布；通常需要在样品表面覆盖涂层。测量中使用热电偶测温也存在一些缺陷：在样品上粘贴热电偶可能会破坏样品表面温度分布；对于产量较少，有无损需求的材料，粘贴热电偶会对样品造成不可逆的破坏；热电偶的响应时间较长，会引起额外的测量误差。有研究者使用红外探测器取代热电偶(Leung W P,et al.,Optics letters,1984,9(3):93-95.)，实现了无损测量，但红外探测器的空间分辨率和时间分辨率较差，针对热扩散率较大的材料，同样不能满足测量要求。

蜃景效应法(Boccara A C,et al.,Applied Physics Letters,1980,36(2):130-132.)是通过调制激光周期性加热样品表面，测量激光在样品表面空气层偏折率获得温度变化，进而测量待测样品热扩散率。蜃景效应法是一种非接触无损方法，但其数据处理复杂，同时引入了样品与空气换热的影响，造成了一定的额外误差。

瞬态热栅法(Eichler H,et al.,Journal of Applied Physics,1973,44(12):5383-5388.)是通过激发光和检测光在样品表面形成的干涉条纹测量样品表面温度、进而得到样品热扩散率的测量方法。瞬态热栅法不仅是一种非接触无损方法，还具有加热时间短、加热面积小的优点，避免了面向无温度分布均匀加热的假设。但瞬态热栅法对样品表面的镜面反射程度有很高的要求，无法应用于表面粗糙度较高的样品的热扩散率测量。

此外，针对均匀性较差的体材料样品，使用上述方法测量仅能得到均一化的热扩散率结果，而无法得到体材料局部的热扩散率。但在实际应用中，一些在航天航空等领域应用广泛的梯度功能材料，其热扩散率会随着梯度方向变化。因此，还需要有效的局部热物性测量手段，保证此类材料在工程实际中的应用。

综上所述，现有测量体材料热扩散率的方法还存在诸多限制，亟待开发更简便、更高精度、应用更广泛的、可测量局部物性的体材料热扩散率无损确定方法。

发明内容