材料热物性参数的光声压电检测及实现

论文摘要

基于简化热弹模型的光声压电(PAPE)技术能够简便、有效地测量材料的热性能参数。本论文基于此技术对金属、合金以及复合材料等进行了实验研究,并完成了样品厚度等参数对测量精度的影响以及对于不同大小的热扩散率测量精度不同的相关研究,得到了最佳测量条件,最后开展了PAPE技术自动测量系统的初步研制工作。1、基于PAPE技术的多种材料的热性能研究。首先,介绍了基于简化热弹模型PAPE技术的相关理论;其次,建立了相应的实验系统,并通过对参考样品紫铜、纯铝和黄铜等热扩散率的测量,完成对实验系统的校准;最后,利用该实验系统开展了合金材料和莫来石增强金属基复合材料等新型材料等效热扩散率的研究。2、PAPE技术最佳实验条件和测量精度的研究。首先,进行了PAPE技术最佳实验条件的探索;其次,根据PAPE理论公式开展了对于不同大小的热扩散率测量精度不同的研究,并分析了样品厚度对测量误差的影响,得到了PAPE技术的测量精度及最佳适用范围;最后,开展了相同厚度的紫铜、纯铝、黄铜、铁和碳钢(含碳0.5%)以及不同厚度的紫铜、纯铝和黄铜等样品热扩散率的测量研究,对理论分析的结果进行了验证。3、PAPE技术自动测量系统的初步研制。介绍了LabVIEW的仪器控制原理,开展了函数发生器和锁相放大器串口控制的研究,实现了PAPE技术中调制频率和实验数据采集的自动化控制,减小了实验的人为误差。通过本论文的研究,得到如下结论:在样品满足薄板理论的条件下,PAPE技术可以用来准确测量金属、合金以及复合材料的等效热扩散率;且在样品的热扩散率值大于10mm2/s的情况下,PAPE技术具有最佳的测量精度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 传统的测量材料热扩散率的方法
• 1.2.1 激光脉冲法（闪光法）
• 1.2.2 瞬态热栅法
• 1.2.3 光热辐射法（PTR）
• 1.2.4 光热偏转法（Mirage）
• 1.2.5 交流量热法
• 1.2.6 光声法
• 1.3 光声压电技术
• 1.4 本课题研究的主要内容
• 第二章 光声压电理论
• 2.1 基本理论简介
• 2.1.1 光声效应
• 2.1.2 压电效应
• 2.1.3 薄板弹性论
• 2.1.3.1 弹性理论基本公式
• 2.1.3.2 薄板弹性论
• 2.1.3.3 热弹性力学
• 2.2 简化的光声压电理论推导
• 2.2.1 交变温度场分析
• 2.2.2 热弹效应分析
• 2.2.3 光声信号的求解
• 第三章 PAPE 技术实验系统及结果分析
• 3.1 PAPE 技术实验系统
• 3.2 实验结果的拟合计算
• 3.2.1 有效频带
• 3.2.2 电压信号振幅和相位有效性的比较
• 3.3 金属材料热扩散率的测量
• 3.4 合金材料等效热扩散的测量
• 3.4.1 合金材料等效热扩散率的计算
• 3.4.2 莫来石复合材料基底合金等效热扩散率的测量
• 3.5 Mullite/Al-Cu-Mg 复合材料等效热扩散率的测量及分析
• 3.5.1 Mullite/Al-Cu-Mg 复合材料简介
• 3.5.2 Mullite/Al-Cu-Mg 复合材料等效热扩散率的测量
• 3.6 总结
• 第四章 PAPE 技术测量材料热扩散率的最佳实验条件及精度分析
• 4.1 最佳实验条件探索
• 4.1.1 PZT 厚度对实验的影响
• 4.1.2 PZT 直径对实验的影响
• 4.1.3 入射光功率对实验的影响
• 4.1.4 总结
• 4.2 PAPE 法精度的理论研究
• 4.2.1 热扩散率影响
• 4.2.2 样品厚度影响
• 4.3 PAPE 法精度的实验研究
• 4.3.1 表征实验正确性的参数
• 4.3.2 热扩散率影响的实验研究
• 4.3.3 厚度影响的实验研究
• 4.4 总结
• 第五章 PAPE 技术的自动化实现初步
• 5.1 LabVIEW 简介
• 5.2 遥控操作简介
• 5.2.1 函数发生器遥控操作简介
• 5.2.2 锁相放大器遥控操作简介
• 5.3 PAPE 技术的自动化
• 5.3.1 程序框图
• 5.3.2 前面板
• 5.4 总结
• 第六章 总结
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士期间取得的研究成果