减少激光闪光法有限脉冲时间效应的数据处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料热物性测量的技术领域，涉及采用激光闪光法测量材料热扩散率 的数据处理方法，具体地，涉及一种减少激光闪光法有限脉冲时间效应的数据处理方法。
【背景技术】
[0002] 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是一个国家科学技术和工业水平的反映 和标志。随着现代科学技术的飞速发展，新材料的不断涌现，我们需要综合考虑材料的合成 制备和加工技术，并且必须结合对材料性质的现代分析测试技术和方法，才能满足新材料 的研制和应用的需要。
[0003] 热过程是物质世界普遍存在的一个物理过程，热物性数据不仅是衡量材料能否适 应具体热过程工作需要的数量依据，而且是对特定热过程进行基础研究、分析计算和工程 热设计的关键参数，它还是认识、了解和评价物质的最基本的物理性质之一。
[0004] 闪光法测量材料热扩散率的方法原理是在1961年由Parker等人提出的，至今已 有60多年的历史；在出现了激光技术以后，用脉冲激光器作为加热源，该方法已发展成为 当前测量材料导热性能最为广泛的方法之一一一激光闪光法。据估计约有75%以上的热扩 散数据都是用这种方法测得的。而且，国内外均已采用该方法作为测试材料导热性能的标 准方法，如：ASTM E1461、IS0 13826、BS EN 821-2、JIS H7801、GB/T 22588、GJB1201. 1 等。
[0005] 闪光法是基于Parker原理进行测量的，其基本物理模型是在一个四周绝热，厚度 为L的薄圆片试样的正面，辐照一个垂直于试样正面的均匀的脉冲能量，测出在一维热流 条件下试样背面的温升曲线，进而求出其热扩散系数；具体的，Parker原理如以下所述。
[0006] 若试样任意点X在开始时的温度分布为T(X，0)，则在任何时间t的温度分布 T(x，t)应为：
如果激光作用时间（即激光脉冲宽度）τ。一 0,能量只作用在试样正面（X = 0)到离正 面极小的距离g内，则κ =g/L - 0,可得到经典的闪光法计算公式，求得热扩散率α为：
Parker原理在物理模型推导的过程中，提出了很多假设条件，这就造成了实际测量条 件和建立物理模型时所用的简化条件不一致而对测试结果带来的误差。其中，有限脉冲时 间效应是闪光法的主要误差来源之一；如果能量脉冲作用时间τ。相对于温度在试样内传 播的时间不可忽略，就不能认为脉冲是瞬时作用的，这种因素对测量结果的影响就称为有 限脉冲时间效应；标准ASTM E1461、ISO 13826,专利US007038209B2均专门对该因素提出 了修正方法，扩展了闪光法的应用范围；但是，ASTM E1461针对激光波形为三角形时的情况 提出了修正方法，缺少对方波情况的修正；ISO 13826虽然针对激光波形为方波的情况提 出了修正方法，但是使用范围有限。
【发明内容】
[0007] 鉴于现有技术中存在的有限脉冲时间效应问题，本发明所要解决的技术问题在于 提供一种减少激光闪光法有限脉冲时间效应的数据处理方法，从而得到能够减少有限脉冲 时间效应误差的新的热扩散率的计算公式。
[0008] 为了解决上述技术问题，本发明提供的减少激光闪光法有限脉冲时间效应的数据 处理方法，包括：对经典闪光法的物理模型进行重新推导，以得到热扩散率计算公式的修正 思路，所述修正思路包括：以经典闪光法的物理模型为基础，重新定义激光加热完成的时刻 为时间零点，得到该时刻试样内部的温度分布曲线Τ(χ，0)，并对激光作用深度g进行量化 处理，然后对所述试样达到热平衡时的温度分布方程T (X，t)进一步推导，得到试样背面的 温度随时间变化的方程T(L，t)，进而得到试样背面的温度随时间变化的无量纲方程V(L， t)，最后，令V (L，t) = 0. 5,得到重新定义时间零点后试样背面温升达到最大值一半时的时 间W5* ;该数据处理方法还包括在采用所述修正思路进行修正后，得到闪光法测量热扩散 率新的计算公式。
[0009] 根据本发明，该数据处理方法可以有效减少闪光法测量材料热扩散率时有效脉冲 时间的影响，使激光热导仪所能测试样品的厚度更薄，拓展了其应用范围，即，降低了仪器 对测试样品在厚度上的要求，拓展了对样品的测试范围。此外，该数据处理方法对激光脉冲 波形接近于方形、三角形、指数波形等情况均适用。
[0010] 又，在本发明中，还可以是，当激光脉冲波形为方波时，采用所述修正思路对物理 模型重新推导后，所得到的新的热扩散率计算公式包括：
其中，α为热扩散率（m2/s)，L为试样厚度（m)，ω为无量纲参数
[0011] 根据本发明，以激光脉冲波形是方波为例，进一步说明了采用上述修正思路对物 理模型重新推导后，所得到的新的热扩散率计算公式。但本发明不限于方波，本领域技术人 员应理解，即便激光脉冲波形的形状不同，例如为三角形或指数波形等，采用上述修正思路 对物理模型重新推导后，也可以得到的新的热扩散率计算公式。
[0012] 又，在本发明中，还包括：采用所得到的新的热扩散率计算公式进行求解的计算过 程；所述计算过程包括：激光作用时间内所述试样背面无明显温升情况下的第一数据计算 过程，以及激光作用时间内所述试样背面有温升情况下的第二数据计算过程。优选地，当激 光波形接近于方波时，所述计算过程包括：所述试样背面在激光作用时间内无明显温升情 况下采用所述公式（7)进行求解的第一数据计算过程，以及所述试样背面在激光作用时间 内有温升情况下采用所述公式（14)进行求解的第二数据计算过程。但，对于其他波形而 言，类似地，可能分两种情况，也可能不分两种情况，这要看上步中得到的新的计算公式如 何。
[0013] 又，在本发明中，还包括：判断所述试样背面在所述激光作用时间内是否有温升的 方法；当所述试样背面在所述激光作用时间内无温升时，采用所述第一数据计算过程计算 所述试样的热扩散率；当所述试样背面在所述激光作用时间内有温升时，采用所述第二数 据计算过程计算所述试样的热扩散率。
[0014] 根据下述【具体实施方式】并参考附图，将更好地理解本发明的上述内容及其它目 的、特征和优点。
【附图说明】
[0015] 图1示出了采用本发明的数据处理方法对物理模型重新推导，得到新的热扩散率 计算公式的修正思路的示意图； 图2示出了激光波形接近于方波时，如何采用所得到的新的热扩散率计算公式进行数 据计算的具体实施步骤； 图3示出了试样背面的无量纲温升曲线V(L，t)，说明了基于本发明数据处理方法中时 间零点的确定、半温升时间t。./的确定，以及图2中在激光作用时间内是否有温升的分析判 断方法，即如何选择第一数据计算过程或第二数据计算过程； 图4示出了当激光波形为方波时，图2中第一数据计算过程实施过程中的《。5随κ的 变化情况。
【具体实施方式】
[0016] 以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式 仅用于说明本发明，而非限制本发明。
[0017] 针对现有技术中激光闪光法所存在的不足，本发明的目的在于提出一种减少有限 脉冲时间效应的激光闪光法数据处理方法。
[0018] 具体地，上述数据处理方法中对物理模型进行重新推导的修正思路如下：以经典 闪光法的物理模型为基础，重新定义激光加热完成的时刻为时间零点，得到该时刻试样内 部的温度分布曲线T (X，0)，并对激光作用深度g进行量化处理，然后对所述试样达到热平 衡时的温度分布方程T (X，t)进一步推导，得到试样背面的温度随时间变化的方程T (L，