MPR技術(shù)測量材料熱物性的研究.pdf

1、調(diào)制光熱反射(MPR)技術(shù)是一種基于光熱效應(yīng)建立和發(fā)展起來的光熱測量技術(shù)。由于其具有無損檢測和高靈敏度的特點(diǎn)，已被廣泛用于物理、材料工程等領(lǐng)域，并越來越受到人們的重視。作為一種處于發(fā)展中的測量方法，一方面MPR技術(shù)有待開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域；另一方面，MPR技術(shù)本身仍需要不斷完善和發(fā)展。本文主要研究了MPR技術(shù)在測量材料熱物性方面的應(yīng)用，并相應(yīng)開展了如下一些工作： 1對利用MPR技術(shù)測量塊狀材料的熱物性進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。提出一種利

2、用MPR頻率掃描方法測量固體材料熱擴(kuò)散率的新思路，建立了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，該方法可有效避免泵浦和探測光斑半徑的測量誤差對熱擴(kuò)散率測量結(jié)果的不利影響。同時(shí)，我們利用MPR徑向掃描法測量了塊狀樣品的熱擴(kuò)散率，得到了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 2對利用MPR技術(shù)表征薄膜-襯底材料的熱物性進(jìn)行了研究。首先提出了利用MPR頻率掃描測量薄膜熱物性的新方法，即利用MPR頻響信號同時(shí)確定薄膜熱擴(kuò)散率、襯底熱擴(kuò)散率和界面熱阻這三個(gè)熱學(xué)參數(shù)

3、。數(shù)值模擬結(jié)果表明，與已有的徑向掃描方法相比，頻率掃描方法中的這三個(gè)參數(shù)之間并不存在高度的相關(guān)性，因此采用頻響信號進(jìn)行多參數(shù)擬合，可提高多參數(shù)擬合的收斂性和精確性。其次，對低擴(kuò)散率薄膜的MPR徑向掃描相位信號進(jìn)行了分析，討論了在同時(shí)擬合薄膜和襯底熱學(xué)參數(shù)時(shí)的參數(shù)靈敏度和相關(guān)性問題，并引入遺傳算法作為多參數(shù)擬合的工具。 結(jié)果表明遺傳算法能很好地對高相關(guān)性的參數(shù)進(jìn)行擬合，因此是表征微尺度薄膜熱物性的一種有效工具。 3對各向異

4、性介質(zhì)受調(diào)制激光束輻照下的交變溫度場分布進(jìn)行研究。分析了各向異性材料表面交變溫度的幅頻和相頻特性，以及材料不同剖面的交變溫度幅度及相位分布，并考慮了材料光熱屬性對交變溫度分布的影響。此外，對利用MPR技術(shù)確定各向異性材料熱擴(kuò)散張量的可行性進(jìn)行了研究，得到了各向異性材料的MPR信號數(shù)學(xué)表達(dá)式，并詳細(xì)討論了不同情況下得到熱擴(kuò)散張量方向和大小的方法。結(jié)果表明，采用MPR頻響測量技術(shù)和徑向掃描測量技術(shù)能夠有效地測得各向異性材料的熱擴(kuò)散張量的大小