OP TICAL TECHNIQUE
Vol.32No.4
July2006
文章编号:1002_1582(2006)04_0621_02
利用激光光热技术研究钛酸钡材料的导热性能X 王培吉1,2，周忠祥1，梁伟2，张奉军2，张仲2，范素华2 (1.哈尔滨工业大学理学院，哈尔滨150001;2.济南大学理学院，济南250022)
摘要：利用激光光热偏转技术测量了钛酸钡材料的热扩散率。根据所测量材料的光热光偏转信号，通过最小二乘法中的非线性拟合，直接拟合出了材料的热扩散率，克服了光热偏转技术中/Mirage effect0步骤多、计算复杂、误差大的缺点。测量了在不同成型压力和不同烧结温度下钛酸钡材料的热扩散率，得到了热扩散率随成型压力和烧结温度的变化规律。对实验结果进行了分析和讨论。
关键词：光热偏转技术；钛酸钡；热扩散率
中图分类号:TN247文献标识码:A
Research BaTiO3performance of heat conduction
by laser photothermal technique
WA NG Pe i_ji1,2,ZH OU Z hong_xia ng1,LI AN G we i2,ZH AN G Feng_jun2,ZHA NG Zhong2,FA N Su_hua2
(1.School of Science,Harbin Institute of Technology,Harbin150001,China)
(2.School of Science,Jinan University,Jinan250022,China)
Abstract:The thermal diffusivities of BaTiO3mater ials ar e studied.Thermal diffusiviities of BaTiO3mater ials are mea2 sured by laser photother mal deflection technique.An intensity_modulated Ar+laser beam was used as t he incident light.Pho2 tothermal deflection signal as a function of different frequencies was experimentally measured.Using the signal,diffusivit ies can be obtained directly by fitting experimental data.The defect of error lar ge in/Mirage effect0is overcome.The diffusivities of are measured at different pr essure and sinter ing temperature.The experimental r esults of mater ials are analyzed and discussed.
Key wor ds:photothermal deflection technique;BaTiO3;thermal diffusivit y
1引言
由于钛酸钡材料具有高介电性、高热释电效应等优越的性能，因而在电子陶瓷、铁电电容器、热释电检测器等电子器件方面具有广泛的应用。但随着电子器件尺寸的减小，一方面制作电子器件的栅极材料由二氧化硅逐渐转向高介电材料，另一方面器件中的散热、传热等热效应问题已成为影响器件的性能、寿命及稳定性的重要因素；材料的热扩散率(热导率)是衡量材料热性能优劣的一个重要参数，它反映了材料在力学、热学两方面的综合性能，因而在制备钛酸钡材料时，应及时、快速地检测出钛酸钡材料的热扩散率。由于不同条件下的热扩散率差异较小，所以采用一般的检测手段是难以完成准确测量的。激光光热技术是近几年来发展起来的一种无损检测技术，它具有实验简单、灵敏度高等特点，能快速、准确地测量出各种材料的热扩散率。由于光热透射技术和光热反射技术测量的是材料的光热信号[1,2]，陶瓷材料的导热性能差，热信号较弱，不同条件下的材料信号差别小，这样易造成测量结果误差偏大。由于在光热偏转技术中/Mirage ef2 fect0[3,4]的数据处理环节过多，也易造成误差偏大。因此本文利用激光光热技术中的光热偏转技术测量钛酸钡材料的热扩散率，根据所测量材料的光热偏转信号，通过最小二乘法中的非线性拟合，直接拟合出了材料的热扩散率，克服了以前光热技术中各种计算热扩散率误差大的缺点，并对不同的成型压力和烧结温度的实验结果进行了分析。 2原理
当一束被频率f调制的激光束入射到试样表面后，由于试样吸热，因而在材料内形成了具有一定规律的温度梯度分布；当用另一束检测激光束掠射过试样表面时，光束将不再按直线传播，发生了偏转。对不透明强吸收热厚试样来说，光束偏转角分量为[5]qc工程图
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X收稿日期:2005_05_13；收到修改稿日期:2005_07_25E_m ail:ss)wangpj@ujn.edu;wziran@sina 基金项目：国家自然科学基金资助项目(60471042)
作者简介：王培吉(1965_)，男，哈尔滨工业大学理学院和济南大学理学院教授，从事现代光电检测技术与纳米材料导热机理的研究。
式中:P 为入射激光功率;n 为空气折射率;T 为材料的温度变化量;K s 为材料热导率;a 为入射激光束的高斯半径;y 为入射激光束与检测激光束之间
的扫描距离;z 为检测光到试样表面的距离;R 2s =D 2
+iw /A s ，其中A s 为介质的热扩散率,w =2P f 为调制光束的圆频率;R 2g =iw /A g ，其中A g 为空气中的热扩散率;l 为样品的厚度;d n/d T 为介质折射率随温度的变化率。
在不同的频率下可测量出检测光偏转角的振幅和相位，通过最小二乘法的非线性拟合即可得到材料的热扩散率。山居笔记pdf
3 实 验
实验装置如图1所示。入射光是功率约为1.5W 的氩离子激光器，输出光束由EG&G 公司生产的PAR192型斩波器调制，在经45b 角平面镜反射和经透镜聚焦后垂直入射到试样表面上。试样被放置在三维平台上，平面镜与透镜一起被固定在由计算机控制的步进电动机上。检测光采用的是稳压单模偏振氦氖激光器，它具有稳定性好和功率偏差小的特点。当检测光掠射过试样表面后，由四象限位置检测器测量光束偏转角，检测的信号经由EG&G 公司生产的PAR5204型锁相放大器后进入计算机进行数据处理。
实验中为了消除噪声的影响和外界的干扰，部分仪器加了防护罩；为了消除长时间加热后检测光的漂移，采样时尽量缩短锁相放大器的积分时间；为了保证数据的准确性，每个数据均为三次采样的平
均值。
献文帝
图1 光热检测系统结构示意图
钛酸钡试样是采用正交法实验制备的，以等摩尔碳酸钡、二氧化钛为主要原料，加入少量二氧化硅(助熔剂)，经过称量、球磨、过筛、预烧等工艺，在不同的压力下压制成直径为018cm 的圆片(厚度在1mm 左右)，最后放入高温炉中在不同的温度下烧结，保温时间均为1h 。
4 结 果
实验时通过固定检测光束和移动入射光束来实现对试样的测量，通过由计算机控制的步进电动机带动平面镜和聚焦透镜来实现入射光束的移动，调节入射激光束和检测光束使光信号最大，得到a =0.5mm,y =0.6mm,z =0.05mm，为此可在不同的频率下测得试样光热信号的振幅和相位，根据式(1)和由最小二乘法中的误差最小原则，由光热信号的振幅和相位对频率分别进行非线性拟合，即可得到材料的热扩散率。图2给出了试样光热信号的振幅和相位随频率变化的拟合曲线。图3给出了在不同压力和不同烧结温度下钛酸钡材料的热扩散率实验
结果。
图2 钛酸钡试样光热信号的振幅和相位随频率变化的拟合曲线
(a)振幅;(b)
相位。
图3 在不同压力和不同烧结温度下钛酸钡材料的热扩散率实验结果
(a)压力;(b)烧结温度。
由图3可以看出，随着成型压力的增大，钛酸钡材料的热扩散率逐渐减小，这是由于成型压力较小时，
试样致密程度不够和气孔较多的缘故。由于材料的热导率是由晶格和声子振动两部分组成的，气孔的存在，阻碍了晶格和声子的振动，使得传热过程受阻，因而造成热导率下降。压力较小时，试样密
度也小，热扩散率变大。从实验结果来看，当压力小时，热扩散率较大，由此可以断定引起热扩散率变化的主要因素是材料密度的变化。随着成型压力的增大，试样致密程度增加，气孔减少，晶格和声子振动引起的热传递加快，热导率增大，但试样的密度也增大，造成热扩散率减小。当压力增大到一定值时，材料内气孔被封闭，而材料进一步密实，热扩散率减小，但其变化并不明显，这与图3中的实验结果是一
(下转第626页)
摄像管E5036(S)(硅靶管)的靶面成像尺寸为12.8mm @9.6mm，光学镜头的水平视场角2A H =4b 52c ，垂直视场角2A V =3b 40c 。在/猫眼0反射光路中，摄像管靶面面积的大小对斜入射光束(边沿光线)的回波强度影响很大。 只有扫描光束位于光学镜头视场角范围以内才有可能产生/猫眼0反射。随着扫描光束入射角A 的增大，回波的空间分布区域及光强均会发生很大的变化。
6 结 论
dxs
检索结果显示，国内已有较多文献讨论了/猫眼0效应应用于侦察的设计方案[4,5]。这些文献假设敌方仪器为理想/猫眼0光路，且反射的回波较强。文献[4]通过实验测量了红外系统内光学元件产生回射激光的效率和光斑尺寸，分析了对回射激光光斑的识别。这些研究结果对充分利用回射激光，实现对红外系统的主动跟踪具有重要的参考价值。
本文分析了电视导引头光学系统在外部激光照射下产生回波的物理图像，定量的估算了影响/猫眼效应0回波强度的主要因素。由表1和表2的数据表明,/猫眼效应0用于主动式激光侦察的适用条件较为苛刻。回波强度容易受到侦察环境(探测方和被探测方的相对位置)和系统装配误差(摄像管靶面倾斜、离焦)等因素的影响；系统内部光学镜头的相对孔径(光圈)、摄像管靶面(反射面)的倾斜和离焦对回波强度影响较大；当改变光学镜头相对孔径时，探测器接收到的猫眼回波信号随扫描光束入射角的增大而急剧减少。
在探测装置位于光学系统的视场角内时，原则上能收到回波。但如果回波散布的空间范围较大，由于探测器列阵的横向尺寸有限，所以由光学仪器反射的激光未必能全部进入回波探测装置。主动式探测装置因回波较弱等原因而对导弹来袭告警的准确度会产生很大影响。只有理想/猫眼0反射光路能产生较强回波。而在实际应用环境中，敌方反射面严格构成后向反射光路，我方探测器正好位于回波最强的有利位置，这两个条件通常不易同时满足。因此，深入分析影响/猫眼效应0回波的主要因素，这对在导弹来袭告警系统中的应用显得十分必要。参考文献:
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62)65.
(上接第622页
)(a) (b)
图4 不同压力下的钛酸钡
材料的电镜测试图
(a)5000N;(b)8000N 。
致的，与图4中的电镜结果相符。当烧结温度较低时，颗粒间接触面积小，气孔较多，热导率较小。随着烧结温度的升高，晶界移动,
气孔率变低，密度增大，因而材料的热扩散率随烧结温度的升高而减小。如果烧结温度过高，容易造成材料的熔融，形成块体，因而降低了材料的性能。对钛酸钡材料来说，气孔对材料导热性能的影响没有材料的密度变化影响大，这主要是由于钛酸钡材料的导热性能差，气孔率的变化对声子的晶格振动影响不明显的缘故。
5 结 论
利用光热光偏转技术研究了钛酸钡材料的性能，通过测量光热光偏转技术中的光热信号的振幅和相位，利用最小二乘法中的非线性拟合，得到了材料的热扩散率，克服了以前数据处理环节过多，以致误差较大的缺点，使得光热光偏转技术的检测精度更高，能够测量出材料性能的微小差异。通过检测不同实验条件下的钛酸钡材料的热扩散率，到了制备钛酸钡材料的最佳实验条件，这不仅可以促进材料学科的发展，而且还提高了材料性能检测的精度，为光热光偏转检测技术的发展提供了一种新的手段。参考文献:
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