[发明专利]瞬态荧光测量材料热扩散率的方法及装置

说明书

本发明提供一种瞬态荧光测量材料热扩散率的方法及装置，该方法包括步骤一、利用调制脉冲激光作为样品的加热光源和荧光信号的激发光源，对样品表面进行照射；二、采集样品受激发后反馈出的荧光信号，将信号强度与样品的荧光强度—温度曲线比对，得到样品温度信息；三、多次改变脉冲激光的脉冲宽度，得到不同瞬态加热周期下样品的瞬态温升；四、根据待测样品的导热模型温度场分析解表达式，用多组测量数据带入拟合得到材料的热扩散率。基于该方法设计了对应的测量装置平台。本发明测量材料热扩散率时，不易损坏样品，测量误差小，效率高。

技术领域

本发明属于材料热物性的瞬态光学测量技术领域，具体涉及一种使用瞬态荧光进行材料热扩散率的测量方法及测量装置。

背景技术

材料热扩散率是评价物体内部热量扩散能力的指标，是物质非常重要的热物理性能参数，也是进行绝热设计和分析计算不可或缺的关键参数。热扩散率的测量方法一般为非稳态方法，也可称作瞬态方法或动态方法。其出发点是非稳态导热微分方程。测量原理是对样品施加热扰动，同时测量样品对热扰动的响应，然后根据响应曲线确定材料的热物性参数数值。相比传统的稳态方法，瞬态法快速、准确，方式灵活多样，测量范围可覆盖多种材料，其突出特点就是可以应用于现场质量控制和监测。

在瞬态方法中，根据对样品的影响，可以分为接触式测量方法与非接触式测量方法两类。在接触式测量方法中，一般对样品进行电加热，通过电阻的温度依赖特性实现温度测量，如热线法、热探针法等，这种方法主要存在以下问题：(1)样品易在通电过程中损坏；(2)存在接触电阻，给实验造成不可避免的误差。而非接触方法则是对样品进行激光加热，如激光闪光法、拉曼光谱法等。其中，激光闪光法是使用脉冲激光对样品正面进行照射，同时记录背面的温升曲线情况，以得出材料热扩散率，但样品的尺寸、均质特性会在很大程度上影响此方法的准确性。拉曼光谱法是基于拉曼峰的温度频移特性来表征温度信息，此方法首次应用于石墨烯材料热导率的测量，近年来迅速发展，被用于多种材料的热物性测量。但大多数工业材料并不具备良好的单晶结构，这就使得拉曼光谱的激发效率很低，其信号较难获取，且对仪器装置要求较高。

荧光光谱法可根据峰值强度的温度依赖特性进行温度测量，但使用材料荧光特性进行热扩散率测量，和其它基于荧光光谱的热物性研究，目前尚未有相关报道。

本发明拟设计一种利用瞬态荧光测量样品热扩散率的测量方法及测量装置，利用脉冲激光作为样品的加热光源和荧光信号的激发光源，根据样品荧光光谱的温度特性实现温度测量；多次改变脉冲激光的脉冲宽度，计算瞬态加热周期内的平均温升，并将不同脉冲宽度下测得的瞬态温升做比值，可测得材料瞬态传热过程中的热扩散率。以解决现有的热扩散率瞬态测量方法中存在的样品易损坏、误差大、效率低等问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：

一种瞬态荧光测量材料热扩散率的方法，其特征在于：包括如下步骤：一、利用调制脉冲激光作为样品的加热光源和荧光信号的激发光源，对样品表面进行照射；二、采集样品受激发后反馈出的荧光信号，将信号强度与样品的荧光强度—温度曲线比对，得到样品温度信息；三、多次改变脉冲激光的脉冲宽度，得到不同瞬态加热周期下样品的瞬态温升；四、根据待测样品的导热模型温度场分析解，将样品的瞬态温升与最大温升做比值，消去表达式中激光的加热功率和材料的热导率，得到以材料热扩散率α为未知系数的方程式，通过若干组数据带入，拟合得到材料的热扩散率。

所述的调制脉冲激光是利用信号发生器数字调制半导体激光器产生的激光，其激光波形为矩形，利用信号发生器调制激光时，通过改变其占空比和频率改变矩形脉冲激光的开启和关闭时间与间隔，以获取不同的样品加热效果。

所述的样品为受激光激发后能产生荧光信号的材料，如陶瓷、塑料等绝大部分非金属材料，或表面附着有荧光感应材料的物质，当样品一侧表面受瞬态激光加热时，因加热时间较短，产生的热扰动并未深入到样品内部。