光聲表征多層納米薄膜熱物性的模型研究.pdf

1、回顧光聲效應(yīng)模型的發(fā)展歷史，可以發(fā)現(xiàn)以往的光聲模型基本都遵循同一條假設(shè)：光聲腔氣體壓力均勻一致，可用熱力學(xué)分析，因而這些光聲理論僅適用于低頻或中頻。而要光聲測(cè)量納米薄膜的熱物性，其所要求的光聲頻率較通常要高得多，必須進(jìn)入超聲范圍，這使得現(xiàn)有的光聲理論和技術(shù)不敷使用。有鑒于此，本論文(1)發(fā)展了可用于表征多層復(fù)合納米薄膜熱物性的三種模型——熱力完全耦合光聲模型、半耦合光聲模型與修正的解耦光聲模型，并給出了各自用矩陣形式表達(dá)的光聲分析解。它

2、們不僅考慮了多層復(fù)合材料各層的熱、力、光和幾何性質(zhì)，而且對(duì)頻率沒(méi)有限制。(2)利用建立的通用熱彈性光聲模型，對(duì)光聲效應(yīng)的特性進(jìn)行了研究，弄清了光聲信號(hào)是由熱波、聲波以及它們的反射波構(gòu)成，熱力耦合情況下，各波均有所變性；高頻下光聲信號(hào)不僅隨頻率上升空間波動(dòng)性加劇，還會(huì)規(guī)律性地出現(xiàn)共振，故熱力學(xué)光聲模型已不適用。(3)給出了共振頻率分布的精確和近似計(jì)算表達(dá)式，通過(guò)分析不同模型下的共振頻率譜進(jìn)而得到了解耦模型與耦合模型高頻下偏差的修正系數(shù)，使

3、得解耦模型可在相當(dāng)程度上滿足高頻光聲效應(yīng)計(jì)算的需要。(4)通過(guò)分別比較完全耦合模型與半耦合模型即波動(dòng)熱活塞模型、完全耦合模型與修正的解耦模型在低頻與高頻下的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)半耦合模型與修正的解耦模型不論是低頻還是高頻都是對(duì)完全耦合模型較好的近似；當(dāng)試樣的熱膨脹系數(shù)量級(jí)大于10<'-4>時(shí)，試樣膨脹對(duì)光聲效應(yīng)的影響隨頻率的上升而上升，當(dāng)熱膨脹系數(shù)量級(jí)小于10<'-4>時(shí)，其隨頻率的上升而下降，此時(shí)半耦合模型是很好的近似模型；熱力耦合效應(yīng)的影

4、響會(huì)隨著頻率的升高而不斷增強(qiáng)，因而需要注意修正的解耦模型在超高頻下的適用性。(5)對(duì)納米級(jí)非金屬薄膜(SiO<,2>)、金屬薄膜(Ni)以及微米級(jí)金剛石薄膜導(dǎo)熱系數(shù)的光聲測(cè)量進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明：提高入射光的調(diào)制頻率至超聲區(qū)可大幅改善光聲測(cè)量納米薄膜和高導(dǎo)熱薄膜熱物性的精確度；高頻共振的放大作用可用于克服光聲信號(hào)隨頻率上升衰減的缺陷；光聲測(cè)量存在靈敏度最佳的頻率，要盡可能利用或接近這個(gè)頻率，圍繞其附近某個(gè)共振峰采集數(shù)據(jù)以提高信噪比；