[發(fā)明專利]瞬態(tài)熒光測量材料熱擴(kuò)散率的方法及裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611073760.0
• 申請日: 2016-11-29
• 公開（公告）號: CN106596626B
• 公開（公告）日: 2019-04-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 岳亞楠;吳昊;高建樹;熊揚恒;曾洪濤
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 薛玲

1.一種瞬態(tài)熒光測量材料熱擴(kuò)散率的方法，其特征在于：包括如下步驟：一、利用調(diào)制脈沖激光作為樣品的加熱光源和熒光信號的激發(fā)光源，對樣品表面進(jìn)行照射；二、采集樣品受激發(fā)后反饋出的熒光信號，將信號強度與樣品的熒光強度—溫度曲線比對，得到樣品溫度信息；三、多次改變脈沖激光的脈沖寬度，得到不同瞬態(tài)加熱周期下樣品的瞬態(tài)溫升；四、根據(jù)待測樣品的導(dǎo)熱模型溫度場分析解，將樣品的瞬態(tài)溫升與最大溫升做比值，消去表達(dá)式中激光的加熱功率和材料的熱導(dǎo)率，得到以材料熱擴(kuò)散率α為未知系數(shù)的方程式，通過若干組數(shù)據(jù)帶入，擬合得到材料的熱擴(kuò)散率。

2.如權(quán)利要求1所述的一種瞬態(tài)熒光測量材料熱擴(kuò)散率的方法，其特征在于：所述的調(diào)制脈沖激光是利用信號發(fā)生器數(shù)字調(diào)制半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光，其激光波形為矩形，利用信號發(fā)生器調(diào)制激光時，通過改變脈沖激光的占空比和頻率改變矩形脈沖激光的開啟和關(guān)閉時間與間隔，以獲取不同的樣品加熱效果。

3.如權(quán)利要求1所述的一種瞬態(tài)熒光測量材料熱擴(kuò)散率的方法，其特征在于：所述的熒光強度—溫度曲線為讓樣品在不同的環(huán)境溫度下達(dá)到熱穩(wěn)定后，測得不同溫度下樣品的熒光峰值強度，根據(jù)若干組測量數(shù)據(jù)擬合出的樣品的熒光強度—溫度曲線，在瞬態(tài)試驗中，利用該曲線，將測得的熒光強度轉(zhuǎn)化為樣品的溫度信息。

4.如權(quán)利要求1所述的一種瞬態(tài)熒光測量材料熱擴(kuò)散率的方法，其特征在于：所述的導(dǎo)熱模型為真空環(huán)境下樣品一側(cè)表面受瞬態(tài)激光加熱，形成的半無限大物體導(dǎo)熱模型，該導(dǎo)熱模型溫度場的分析解表達(dá)式如下：

式中T(x,t)為t時刻樣品內(nèi)距加熱表面距離為x處的溫度，T₀為室溫，q₀為激光加熱功率，α為材料熱擴(kuò)散率，λ為材料熱導(dǎo)率，x為距加熱表面的距離；

將瞬態(tài)溫升與最大溫升做比值得到溫升系數(shù)θ，表達(dá)式如下：

式中T₁＝T(x,t₁)－T₀，為最大加熱時間t₁下的溫升，將(1)式代入(2)中做比值，消去λ與q₀，得到帶有未知參數(shù)α的溫升系數(shù)θ隨加熱時間t的變化關(guān)系式，將實驗所得的若干組θ、t數(shù)據(jù)代入該關(guān)系式，通過最小二乘擬合，得到參數(shù)α，即得到材料熱擴(kuò)散率。

5.一種瞬態(tài)熒光測量材料熱擴(kuò)散率的裝置，其特征在于：包括半導(dǎo)體脈沖激光器、真空樣品室、熒光光譜儀和數(shù)據(jù)收集計算機(jī)，所述的半導(dǎo)體脈沖激光器位于真空樣品室上方，激光器與真空樣品室之間自下而上設(shè)有聚焦鏡片和分光鏡，真空樣品室與熒光光譜儀之間通過分光鏡傳遞樣品受激發(fā)后反饋的熒光信號，熒光光譜儀通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)收集計算機(jī)連接；

所述的半導(dǎo)體脈沖激光器包括半導(dǎo)體激光器和脈沖信號發(fā)生器，半導(dǎo)體激光器位于真空樣品室的正上方，脈沖信號發(fā)生器通過數(shù)據(jù)線與半導(dǎo)體激光器連接，由激光器射出的激光垂直照射到真空樣品室內(nèi)的樣品表面；

所述的真空樣品室包括帶有可拆卸玻璃上蓋的真空腔、設(shè)置于真空腔內(nèi)的樣品臺、連接于真空腔側(cè)壁的真空泵和真空計，所述的真空泵通過抽氣管路與真空腔側(cè)壁上的真空抽氣孔連接，所述的真空計通過與真空腔內(nèi)相通的管路與真空腔連接；

所述的樣品臺為銅塊，置于真空腔內(nèi)部，用于承載待測樣品，并作為熱沉防止樣品在加熱過程中熱量累積；

所述的聚焦鏡片水平放置于真空腔正上方，所述的分光鏡位于聚焦鏡片上方呈45°傾斜，熒光光譜儀水平放置在分光鏡一側(cè)。