光熱偏轉(zhuǎn)技術測量非均勻材料熱物理性質(zhì)的研究.pdf

1、作為研究材料理化性質(zhì)的一種有效檢測手段，光熱檢測技術在物質(zhì)吸收譜、表面損傷、薄膜厚度測量、馳豫過程、彈性性質(zhì)研究等方面得到廣泛應用。尤其在檢測材料熱導率、熱擴散率方面，因其非接觸、靈敏度高、實時性好、布置易于轉(zhuǎn)換等突出優(yōu)點，而受到研究者的熱切關注。隨著材料科學研究深入及微電子器件領域大規(guī)模應用，直接影響材料使用性能的材料熱物理性質(zhì)及其測量方法研究也倍受重視起來。 本文從基本理論出發(fā)，介紹了光熱偏轉(zhuǎn)檢測技術的基本概念、原理及技術特

2、點，敘述了光熱偏轉(zhuǎn)檢測技術在材料熱物理性質(zhì)檢測方面的獨特優(yōu)點與應用前景。在大量查閱中外文獻的基礎上，對目前應用于光熱偏轉(zhuǎn)檢測技術領域的幾類重要溫度場熱傳導方程模型及其解法進行了歸納總結(jié)，并根據(jù)檢測方式不同，歸納出幾種基于光熱偏轉(zhuǎn)原理的不同檢測方法，著重描述了偏轉(zhuǎn)信號的物理意義。 本文重點研究了熱導率、密度、比熱變化的非均勻材料溫度場熱傳導方程。首先，對只有熱導率發(fā)生變化的非均勻材料，求解溫度場熱傳導方程，并根據(jù)光熱偏轉(zhuǎn)檢測理論，

3、得到試樣材料上表面空氣層溫度場方程及偏轉(zhuǎn)信號表達式。通過數(shù)值模擬計算，探討了探測光偏轉(zhuǎn)信號振幅分量和相位分量與非均勻材料熱導率間的變化規(guī)律。其次，對熱導率、密度、比熱均變化的非均勻材料，求解得其溫度場熱傳導方程解析解，通過Matlab計算，得到受泵浦光激勵時該情況下材料內(nèi)部溫度場方程，為非均勻材料溫度場求解提供了一種新的方法。 實驗部分，根據(jù)光熱偏轉(zhuǎn)檢測要求設計搭建了檢測系統(tǒng)。通過對以往檢測系統(tǒng)總結(jié)和非均勻材料檢測的實際要求，對

4、數(shù)據(jù)采集、處理部分程序進行修改，實現(xiàn)了檢測控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理自動化。分析了影響檢測結(jié)果準確性的幾個重要因素，并結(jié)合實際，給出對應解決方案。實驗還改進了檢測系統(tǒng)聚焦光路部分，提高了檢測效率。通過實際檢測，驗證了該方案的可行性與正確性。 論文研究表明，非均勻材料熱物理性質(zhì)受材料熱導率變化影響顯著。當被測材料熱導率發(fā)生變化時，探測光偏轉(zhuǎn)信號表現(xiàn)如下變化規(guī)律:振幅隨材料深度增加而減小；相同深度，振幅隨頻率提高而減??；不同頻率調(diào)制下