利用光热方法测量材料热物理性质的研究

摘要

光热偏转检测技术(PDT)是近几年发展起来的热波探测技术,它是一种非接触式的灵敏检测技术,可以在恶劣的环境F进行在线检测,能达到10<'-11>m/平方根Hz(表面位移/平方根检测带宽)的位移检测灵敏度,具有较高的分辨率.由于其独特的优势,光热偏转检测方法被广泛地应用于生产和工程中的各个领域.当前,随着材料技术的深入研究和大规模集成电路的广泛应用,材料的热学性质直接关系到材料在半导体器件、航空航天等高科技领域的应用,而材料的热物理性质与其制备过程等各种因素密切联系,因此,材料热物理性质及其测量方法的研究倍受关注. 本文首先介绍了光热偏转方法的基本原理和特点,说明了光热偏转方法在无损检测领域有着许多突出的优点和重要作用.然后描述了光热偏转方法的理论模型--三层一维介质模型,着重描述了光热偏转信号的物理意义.根据光热偏转检测理论,设计了热扩散率光热偏转自动化检测系统,实现了数据采集和数据处理的自动化;设计了光热偏转成像系统,实现了样品表面热波成像的自动测量. 利用该系统测量了SrBi<,4>Ti<,4>O<,15>(SrBT)和Sr<,2-x>Sm<,x>FeMoO<,6>材料的热扩散率.本论文研究发现,适量镧系镧、铈、钕三种稀士元素的掺杂,有助于抑制SrBi<,4>Ti<,4>O<,15>材料中的氧空位,提高材料的a向择优取向度,有助于改善材料的热扩散率,提高材料的性能等.SrBT掺杂的最佳配方分别为SrBi<,3.8>La<,0.2>Ti<,4>O<,15>、SrBi<,3.8>Ce<,0.2>Ti<,4>O<,15>、SrBi<,3.8>Nd<,0.2>Ti<,4>O<,15>.适量Sm元素的掺杂,有助于改善Sr<,2-x>Sm<,x>FeMoO<,6>材料的热扩散率,其最佳配方分别为Sr<,1.95>Sm<,0.05>FeMoO<,6>、Sr<,1.87>Sm<,0.13>FeMoO<,6>. 光热偏转成像系统能够快速绘制样品表面的热波图像,为材料热学性能的研究提供了一个重要手段.本文通过实验绘制了直线划痕SrBT样品和三角划痕硅片样品的表面光热偏转图,成像结果清晰直观.

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

第一章绪论

1.1前言

1.2光热检测技术的研究现状

1.2.1光热检测技术

1.2.2光热效应的应用

1.2.3光热检测技术研究现状

1.3论文研究内容

1.3.1论文研究的目的与意义

1.3.2论文研究的内容

第二章光热检测技术的理论

2.1光热偏转技术

2.2检测原理

2.3探测光束的“MIRAGE”偏转

第三章光热检测系统的设计

3.1实验设备

3.1.1锁相放大器

3.1.2半导体泵浦激光器

3.1.3步进电机

3.1.4斩光器

3.1.5金相试样抛光机

3.2热扩散率光热偏转测量系统搭建

3.2.1实验系统的搭建

3.2.2实验系统的自动控制

3.2.3实验过程与数据处理

3.3光热偏转成像系统

3.3.1实验系统的搭建

3.3.2实验系统的自动控制

3.3.3实验过程与数据处理

3.4影响光热检测系统信号的因素

3.5小结

第四章材料热学性能的测试与损伤成像

4.1 SrBi4Ti4O15样品

4.1.1样品制备

4.1.2样品的热扩散率

4.1.3性能分析

4.1.4综合分析

4.2 Sr2-xSmxFeMoO6样品

4.2.1样品制备

4.2.2样品的热扩散率

4.2.3性能分析

4.2.4综合分析

4.3样品的损伤成像

4.4小结

第五章结论与展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文目录

致谢