減少激光閃光法有限脈沖時間效應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料熱物性測量的技術(shù)領(lǐng)域,涉及采用激光閃光法測量材料熱擴散率 的數(shù)據(jù)處理方法,具體地,涉及一種減少激光閃光法有限脈沖時間效應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),是一個國家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)水平的反映 和標(biāo)志。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,新材料的不斷涌現(xiàn),我們需要綜合考慮材料的合成 制備和加工技術(shù),并且必須結(jié)合對材料性質(zhì)的現(xiàn)代分析測試技術(shù)和方法,才能滿足新材料 的研制和應(yīng)用的需要。
[0003] 熱過程是物質(zhì)世界普遍存在的一個物理過程,熱物性數(shù)據(jù)不僅是衡量材料能否適 應(yīng)具體熱過程工作需要的數(shù)量依據(jù),而且是對特定熱過程進(jìn)行基礎(chǔ)研究、分析計算和工程 熱設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù),它還是認(rèn)識、了解和評價物質(zhì)的最基本的物理性質(zhì)之一。
[0004] 閃光法測量材料熱擴散率的方法原理是在1961年由Parker等人提出的,至今已 有60多年的歷史;在出現(xiàn)了激光技術(shù)以后,用脈沖激光器作為加熱源,該方法已發(fā)展成為 當(dāng)前測量材料導(dǎo)熱性能最為廣泛的方法之一一一激光閃光法。據(jù)估計約有75%以上的熱擴 散數(shù)據(jù)都是用這種方法測得的。而且,國內(nèi)外均已采用該方法作為測試材料導(dǎo)熱性能的標(biāo) 準(zhǔn)方法,如:ASTM E1461、IS0 13826、BS EN 821-2、JIS H7801、GB/T 22588、GJB1201. 1 等。
[0005] 閃光法是基于Parker原理進(jìn)行測量的,其基本物理模型是在一個四周絕熱,厚度 為L的薄圓片試樣的正面,輻照一個垂直于試樣正面的均勻的脈沖能量,測出在一維熱流 條件下試樣背面的溫升曲線,進(jìn)而求出其熱擴散系數(shù);具體的,Parker原理如以下所述。
[0006] 若試樣任意點X在開始時的溫度分布為T(X,0),則在任何時間t的溫度分布 T(x,t)應(yīng)為:
如果激光作用時間(即激光脈沖寬度)τ。一 0,能量只作用在試樣正面(X = 0)到離正 面極小的距離g內(nèi),則κ =g/L - 0,可得到經(jīng)典的閃光法計算公式,求得熱擴散率α為:
Parker原理在物理模型推導(dǎo)的過程中,提出了很多假設(shè)條件,這就造成了實際測量條 件和建立物理模型時所用的簡化條件不一致而對測試結(jié)果帶來的誤差。其中,有限脈沖時 間效應(yīng)是閃光法的主要誤差來源之一;如果能量脈沖作用時間τ。相對于溫度在試樣內(nèi)傳 播的時間不可忽略,就不能認(rèn)為脈沖是瞬時作用的,這種因素對測量結(jié)果的影響就稱為有 限脈沖時間效應(yīng);標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1461、ISO 13826,專利US007038209B2均專門對該因素提出 了修正方法,擴展了閃光法的應(yīng)用范圍;但是,ASTM E1461針對激光波形為三角形時的情況 提出了修正方法,缺少對方波情況的修正;ISO 13826雖然針對激光波形為方波的情況提 出了修正方法,但是使用范圍有限。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的有限脈沖時間效應(yīng)問題,本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于 提供一種減少激光閃光法有限脈沖時間效應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法,從而得到能夠減少有限脈沖 時間效應(yīng)誤差的新的熱擴散率的計算公式。
[0008] 為了解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明提供的減少激光閃光法有限脈沖時間效應(yīng)的數(shù)據(jù) 處理方法,包括:對經(jīng)典閃光法的物理模型進(jìn)行重新推導(dǎo),以得到熱擴散率計算公式的修正 思路,所述修正思路包括:以經(jīng)典閃光法的物理模型為基礎(chǔ),重新定義激光加熱完成的時刻 為時間零點,得到該時刻試樣內(nèi)部的溫度分布曲線Τ(χ,0),并對激光作用深度g進(jìn)行量化 處理,然后對所述試樣達(dá)到熱平衡時的溫度分布方程T (X,t)進(jìn)一步推導(dǎo),得到試樣背面的 溫度隨時間變化的方程T(L,t),進(jìn)而得到試樣背面的溫度隨時間變化的無量綱方程V(L, t),最后,令V (L,t) = 0. 5,得到重新定義時間零點后試樣背面溫升達(dá)到最大值一半時的時 間W5* ;該數(shù)據(jù)處理方法還包括在采用所述修正思路進(jìn)行修正后,得到閃光法測量熱擴散 率新的計算公式。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明,該數(shù)據(jù)處理方法可以有效減少閃光法測量材料熱擴散率時有效脈沖 時間的影響,使激光熱導(dǎo)儀所能測試樣品的厚度更薄,拓展了其應(yīng)用范圍,即,降低了儀器 對測試樣品在厚度上的要求,拓展了對樣品的測試范圍。此外,該數(shù)據(jù)處理方法對激光脈沖 波形接近于方形、三角形、指數(shù)波形等情況均適用。
[0010] 又,在本發(fā)明中,還可以是,當(dāng)激光脈沖波形為方波時,采用所述修正思路對物理 模型重新推導(dǎo)后,所得到的新的熱擴散率計算公式包括:
其中,α為熱擴散率(m2/s),L為試樣厚度(m),ω為無量綱參數(shù)
[0011] 根據(jù)本發(fā)明,以激光脈沖波形是方波為例,進(jìn)一步說明了采用上述修正思路對物 理模型重新推導(dǎo)后,所得到的新的熱擴散率計算公式。但本發(fā)明不限于方波,本領(lǐng)域技術(shù)人 員應(yīng)理解,即便激光脈沖波形的形狀不同,例如為三角形或指數(shù)波形等,采用上述修正思路 對物理模型重新推導(dǎo)后,也可以得到的新的熱擴散率計算公式。
[0012] 又,在本發(fā)明中,還包括:采用所得到的新的熱擴散率計算公式進(jìn)行求解的計算過 程;所述計算過程包括:激光作用時間內(nèi)所述試樣背面無明顯溫升情況下的第一數(shù)據(jù)計算 過程,以及激光作用時間內(nèi)所述試樣背面有溫升情況下的第二數(shù)據(jù)計算過程。優(yōu)選地,當(dāng)激 光波形接近于方波時,所述計算過程包括:所述試樣背面在激光作用時間內(nèi)無明顯溫升情 況下采用所述公式(7)進(jìn)行求解的第一數(shù)據(jù)計算過程,以及所述試樣背面在激光作用時間 內(nèi)有溫升情況下采用所述公式(14)進(jìn)行求解的第二數(shù)據(jù)計算過程。但,對于其他波形而 言,類似地,可能分兩種情況,也可能不分兩種情況,這要看上步中得到的新的計算公式如 何。
[0013] 又,在本發(fā)明中,還包括:判斷所述試樣背面在所述激光作用時間內(nèi)是否有溫升的 方法;當(dāng)所述試樣背面在所述激光作用時間內(nèi)無溫升時,采用所述第一數(shù)據(jù)計算過程計算 所述試樣的熱擴散率;當(dāng)所述試樣背面在所述激光作用時間內(nèi)有溫升時,采用所述第二數(shù) 據(jù)計算過程計算所述試樣的熱擴散率。
[0014] 根據(jù)下述【具體實施方式】并參考附圖,將更好地理解本發(fā)明的上述內(nèi)容及其它目 的、特征和優(yōu)點。
【附圖說明】
[0015] 圖1示出了采用本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理方法對物理模型重新推導(dǎo),得到新的熱擴散率 計算公式的修正思路的示意圖; 圖2示出了激光波形接近于方波時,如何采用所得到的新的熱擴散率計算公式進(jìn)行數(shù) 據(jù)計算的具體實施步驟; 圖3示出了試樣背面的無量綱溫升曲線V(L,t),說明了基于本發(fā)明數(shù)據(jù)處理方法中時 間零點的確定、半溫升時間t。./的確定,以及圖2中在激光作用時間內(nèi)是否有溫升的分析判 斷方法,即如何選擇第一數(shù)據(jù)計算過程或第二數(shù)據(jù)計算過程; 圖4示出了當(dāng)激光波形為方波時,圖2中第一數(shù)據(jù)計算過程實施過程中的《。5隨κ的 變化情況。
【具體實施方式】
[0016] 以下結(jié)合附圖和下述實施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明,應(yīng)理解,附圖及下述實施方式 僅用于說明本發(fā)明,而非限制本發(fā)明。
[0017] 針對現(xiàn)有技術(shù)中激光閃光法所存在的不足,本發(fā)明的目的在于提出一種減少有限 脈沖時間效應(yīng)的激光閃光法數(shù)據(jù)處理方法。
[0018] 具體地,上述數(shù)據(jù)處理方法中對物理模型進(jìn)行重新推導(dǎo)的修正思路如下:以經(jīng)典 閃光法的物理模型為基礎(chǔ),重新定義激光加熱完成的時刻為時間零點,得到該時刻試樣內(nèi) 部的溫度分布曲線T (X,0),并對激光作用深度g進(jìn)行量化處理,然后對所述試樣達(dá)到熱平 衡時的溫度分布方程T (X,t)進(jìn)一步推導(dǎo),得到試樣背面的溫度隨時間變化的方程T (L,