光熱偏轉(zhuǎn)技術(shù)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(shù)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(yīng)用。尤其在檢測材料熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率方面，因其非接觸、靈敏度高、實(shí)時(shí)性好、布置易于轉(zhuǎn)換等突出優(yōu)點(diǎn)，而受到研究者的熱切關(guān)注。隨著材料科學(xué)研究深入及微電子器件領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)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(shù)的基本概念、原理及技術(shù)特

2、點(diǎn)，敘述了光熱偏轉(zhuǎn)檢測技術(shù)在材料熱物理性質(zhì)檢測方面的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)與應(yīng)用前景。在大量查閱中外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對目前應(yīng)用于光熱偏轉(zhuǎn)檢測技術(shù)領(lǐng)域的幾類重要溫度場熱傳導(dǎo)方程模型及其解法進(jìn)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(diǎn)研究了熱導(dǎo)率、密度、比熱變化的非均勻材料溫度場熱傳導(dǎo)方程。首先，對只有熱導(dǎo)率發(fā)生變化的非均勻材料，求解溫度場熱傳導(dǎo)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(dá)式。通過數(shù)值模擬計(jì)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(dǎo)率間的變化規(guī)律。其次，對熱導(dǎo)率、密度、比熱均變化的非均勻材料，求解得其溫度場熱傳導(dǎo)方程解析解，通過Matlab計(jì)算，得到受泵浦光激勵(lì)時(shí)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(shí)驗(yàn)部分，根據(jù)光熱偏轉(zhuǎn)檢測要求設(shè)計(jì)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(shí)際要求，對

4、數(shù)據(jù)采集、處理部分程序進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)了檢測控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化。分析了影響檢測結(jié)果準(zhǔn)確性的幾個(gè)重要因素，并結(jié)合實(shí)際，給出對應(yīng)解決方案。實(shí)驗(yàn)還改進(jìn)了檢測系統(tǒng)聚焦光路部分，提高了檢測效率。通過實(shí)際檢測，驗(yàn)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(dǎo)率變化影響顯著。當(dāng)被測材料熱導(dǎo)率發(fā)生變化時(shí)，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??；相同深度，振幅隨頻率提高而減??；不同頻率調(diào)制下