Метод лазерной вспышки

лабораторный температуропроводность лазерный импульс Сущность метода лазерной вспышки состоит в том, что короткий импульс лучистой энергии поглощается в тонком слое фронтальной поверхности плоского образца. Вызванное этим возмущение температуры регистрируется на тыльной поверхности образца (рис.1).

Рис. 1 Метод Паркера (равномерное тепловое излучение падает на переднюю поверхность образца, сигнал снимается с обратной поверхности)

Метод лазерной вспышки применяется при следующих допущениях (идеальная модель):

• 1. адиабатный, гомогенный, изотропный образец,
• 2. однородный импульсный нагрев,
• 3. стремящаяся к нулю длительность импульса.

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

• 1. потери тепла поверхностью образца,
• 2. конечность длительности лазерного импульса,
• 3. неоднородность импульсного нагрева,
• 4. негомогенность и неизотропность материала (например, в случае композитов).

Одним из наиболее распространенных импульсных методов измерения температуропроводности является метод лазерной вспышки. На переднюю поверхность плоского образца (рис. 1) подается тепловой импульс, созданный лазерным излучением. При этом предполагается, что отсутствуют тепловые потери, импульс мгновенный, а тепловой поток равномерный. Пренебрегаем потерями тепла вдоль осей .

В этом случае уравнение теплопроводности имеет вид:

(1).

где (z, t) — температура являющаяся функцией времени t и координаты z.

— коэффициент температуропроводности Решение задачи теплопроводности с начальными условиями:

и при 0, (2).

будет иметь вид:

(3).

где — толщина пластины, — удельный тепловой поток,.

— удельная теплоемкость, — плотность образца.

На обратной стороне пластины (=) в безразмерных величинах выражение 3 можно записать так:

() (4).

здесь имеет смысл безразмерной температуры, где — максимальная температура, — критерий Фурье, который имеет смысл безразмерного времени. Зависимость безразмерной температуры от критерия Фурье представлена на рис. 2.

Рис. 2 Зависимость безразмерной температуры от критерия Фурье.

Температуропроводность вычисляется обычно по времени достижения значения температуры обратной поверхности половины от максимальной.

При этом.

(5).

где — критерий Фурье (безразмерное время), при котором безразмерная температура образца обратной поверхности достигает половины максимального значения, — соответствующее время достижения половины максимальной температуры перегрева. Таким образом, измерив на обратной поверхности образца, можно вычислить значение коэффициента температуропроводности.

Рис 3. Нормированная эксперементальная кривая.