為開展光聲光熱技術(shù)實驗教學(xué),設(shè)計了材料亞表面結(jié)構(gòu)光熱輻射檢測實驗。應(yīng)用層狀材料在聚焦高斯光束激勵下產(chǎn)生的三維熱波的理論模型分析了光致熱波的局域性、光熱輻射信號隨樣品層厚度以及隨背襯物質(zhì)熱學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律。采用碳鋼作為基體材料制作了一個含孤立橫向盲孔的樣品和一個含異質(zhì)填充孔并帶表面鍍層的樣品。采用半導(dǎo)體激光器、紅外探測器等構(gòu)建光熱輻射檢測實驗系統(tǒng)。通過對樣品進(jìn)行光熱輻射檢測實驗,驗證了理論預(yù)期的檢測能力:光熱輻射信號對由泵浦光調(diào)制頻率和材料熱學(xué)參數(shù)決定的熱擴(kuò)散長度內(nèi)的材料熱學(xué)結(jié)構(gòu)(材料界面位置、界面兩邊材料的熱學(xué)性質(zhì)等)敏感。

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【部分圖文】：

圖1 層狀材料幾何模型

式中:j為虛數(shù)單位;ω為圓頻率;t為時間;復(fù)指數(shù)函數(shù)exp(jωt)表示熱源強(qiáng)度隨時間的變化。樣品層吸收光能后轉(zhuǎn)化為熱能，并向空氣介質(zhì)和背襯物質(zhì)傳播。自泵浦光開始激勵起，樣品層和背襯物質(zhì)內(nèi)各點(diǎn)的溫度均會經(jīng)歷一個先振蕩上升，最后達(dá)到穩(wěn)定振蕩的過程。光熱輻射檢測針對溫度的穩(wěn)定振蕩階段....

圖2 樣品層的溫度幅值分布

(1)光致熱波傳播的局域性。設(shè)樣品層材料為碳鋼，厚度50mm;背襯物質(zhì)為空氣。設(shè)定泵浦光在樣品表面的光斑半徑為0.5mm，透入樣品層的光功率為1W。鑒于金屬材料對光的強(qiáng)吸收特性，設(shè)樣品層的光吸收系數(shù)為106m-1來模擬面吸收。在這些參數(shù)設(shè)置下，對泵浦光的3種調(diào)制頻率10、10....

圖3 樣品層厚度對表面溫度場的影響

(2)光熱輻射信號隨樣品層厚度的改變。設(shè)定與上節(jié)相同的樣品層材料和背襯物質(zhì)。固定泵浦光調(diào)制頻率為10Hz，其余泵浦光參數(shù)與上節(jié)相同。以熱擴(kuò)散長度為參考，取樣品層厚度分別為0.1、0.3、0.6、1.2和1.8mm計算樣品層的溫度場分布。樣品表面從光斑中心開始的徑向溫度幅值和相....

圖4 背襯物質(zhì)熱學(xué)性質(zhì)對表面溫度場的影響

由圖4可知，在樣品層材料厚度遠(yuǎn)小于其熱擴(kuò)散長度情況下，背襯材料的熱學(xué)性質(zhì)對樣品表面的溫度幅值和相位都有明顯影響。對每一種背襯物質(zhì)，隨觀測點(diǎn)遠(yuǎn)離泵浦光斑中心，溫度幅值迅速衰減;在光斑半徑范圍內(nèi)，溫度相位基本不變。對不同背襯物質(zhì)，熱傳導(dǎo)率越大，溫度幅值越小，溫度相位的絕對值也越小。3....

本文編號：4024217