Метод лазерной вспышки

Существующие методы определения теплопроводности материала подразделяют на стационарные и нестационарные.

Метод лазерной вспышки (метод лазерного импульса) относится к группе нестационарных методов, которые, в отличие от стационарных, не требуют длительного времени для установления теплового равновесия.

Основными достоинствами этого метода являются:

· экспрессность, собственно измерение длится секунды

· малые размеры исследуемых образцов

· при помощи одного и того же инструмента исследуется широкий диапазон свойств (термическая диффузия, теплопроводность, теплоемкость)

· высокая точность

· более широкий интервал температур, чем для стационарных методов (возможны испытания расплавов)

К недостаткам метода относятся прежде всего:

· высокая стоимость аппаратуры

· повышенные требования к условиям эксперимента при испытании пористых и негомогенных материалов

Сущность метода.

Сущность метода лазерной вспышки состоит в том, что короткий импульс лучистой энергии поглощается в тонком слое фронтальной поверхности плоского образца - "таблетки".

Рис.4. Схема метода лазерной вспышки

instantaneous pulse – короткий импульс лучистой энергии

front face – лицевая сторона

lateral face – боковая сторона

rear face – тыльная сторона

initial temperature – начальная температура

thickness – толщина

temperature increase – температурное увеличение

Вызванное этим возмущение температуры тыльной поверхности образца регистрируется прецизионным температурным датчиком с очень малым временем термической реакции. По зависимости температуры обратной поверхности образца от времени определяют температуропроводность (коэффициент термической диффузии). Полученная в этом случае информация содержит данные, связанные с коэффициентом температуропроводности (термической диффузии), теплоемкостью и теплопроводностью образца:

Рис.5. График изменения температуры на тыльной поверхности образца в зависимости от времени. А – идеальная кривая; B, C – реальные кривые.

Для интерпретации результатов применяется метод, разработанный Паркером.

Метод Паркера применяется при следующих допущениях (идеальная модель):

· адиабатный, гомогенный, изотропный образец

· однородный импульсный нагрев

· стремящаяся к 0 длительность импульса (импульс должен описываться распределением Дирака)

При облучении идеального образца при идеальных условиях температура обратной поверхности образца после облучения возрастает до определенного значения и затем остается постоянной (рис.5, кривая А).

На практике перечисленные идеальные условия труднодостижимы, поэтому на реальных кривых (рис.5, кривые B и C) наблюдается максимум , после достижения которого значения начинают уменьшаться.

Для применения данного метода к реальным условиям, были разработаны различные техники и модели, учитывающие неидеальность условий эксперимента, а именно:

· потери тепла и излучение поверхности образца,

· конечность лазерного импульса,

· неоднородность импульсного нагрева,

· негомогенность и неизотропность материала (например, в случае композитов).

Для учета потерь тепла и излучения поверхности образцы испытывают относительно образца сравнения или обрабатывают поверхность специальными материалами (графит).

Отличие от 0 длительности импульса компенсируют при помощи специального преобразования (finite correction).

Остальные неидеальности учитываются при помощи специальных моделей, заложенных в программном обеспечении.

Лекция 5.