基于光热辐射技术的非平面金属样品热导率深度轮廓重建技术

摘要

热导率是表征材料热物理性质的一个重要参数，其测量技术是一个重要的研究方向。光热辐射技术是一种新兴的材料检测手段，可适用于多种材料热物理性质的无损检测，并已成功应用于重建平面样品的硬化层热导率深度轮廓。本论文研究了基于光热辐射技术的非平面金属样品硬化层的热导率深度轮廓重建技术。基于平面和非平面样品的光热场理论模型，我们发现采用合适的数据归一技术，在一定条件下非平面样品的归一化光热场可等价于具有同样深度结构的平面样品，从而可利用平面样品的理论模型对非平面样品的热导率轮廓进行重建，突破了传统方法中非平面样品热物理参数的检测难题。论文从理论上详细研究和讨论了非平面样品的曲率半径、表面不均匀层厚度及实验测量方位角等因素对该技术应用的影响和适用范围，并进行了实验验证。对一组具有相同热导率深度轮廓但是不同曲率半径的圆柱形金属硬化样品进行光热辐射检测实验，分别利用平面样品光热场理论模型和圆柱样品光热场场理论模型对实验结果进行拟合。实验结果表明，利用平面样品的光热理论模型可获得与圆柱样品的光热理论模型近似相同的重建结果，且拟合结果均与实际吻合：不同样品的热导率深度轮廓近似相等；硬化层深度参数拟合结果与破坏性显微硬度法的测量结果一致，从而验证了本文提出的方法。