光声光热技术定征液体和薄膜/基底材料的热学和力学参量

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随着各学科的相互渗透,基于光声光热效应的理论方法和实验技术有了很大的发展。近几十年来的大量研究表明,光声光热法在物理、化学、生物、材料、工程等方面有着广泛的应用前景,成为十分重要的无损检测手段。本文主要讨论了光声光热法中的瞬态热栅技术、多点源光热法和激光激发和检测声表面波技术在测量固体和液体物理参数方面的应用,利用瞬态热栅技术定征生长在玻璃基底上的氧化锌薄膜的热扩散率,多点源光热法测量常见液体,水、乙醇、丙酮的热导率,激光激发和光差分技术检测声表面波来研究特富龙(聚四氟乙烯)薄膜的弹性参数。   第一章首先简要地回顾了光声光热效应的发展历史及物理原理,然后分别介绍了本文所涉及的三种实验方法(瞬态热栅法,多点源光热法和激光激发和光差分技术检测声表面波),在本章的最后给出本文所研究内容和论文的基本框架。   第二章,利用瞬态热栅法定征生长在玻璃基底上的氧化锌薄膜的热扩散率。本章首先介绍了近十几年来国内外瞬态热栅技术的研究状况。接着在前人研究的基础上,我们提出了综合考虑薄膜/基底双层结构样品内温度场引起的表面介电常数变化及热弹位移共同作用的瞬态热栅模型,完善了原有的瞬态热栅法测量薄膜材料热扩散率的实验理论。在试验中,生长在玻璃基底上的光吸收氧化锌薄膜作为样品。然后用X射线衍射法(XRD)、X射线光电子光谱法(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)分析了氧化锌薄膜样品的晶体结构和化学成分,以说明理论模型和实验情况的一致性。最后将由实验结果拟合得到的氧化锌薄膜的热扩散率与公认值进行了比较,并分析了误差的来源。证明了瞬态热栅法是一种灵敏且有效的定征薄膜材料的热学性质的方法。   第三章,利用多点源光热法测量水、乙醇、丙酮的热导率。首先简单介绍了几种常用的测量液体热学性质的方法,并分析了其各自不足。接着在瞬态热栅法的基础上,利用多模光纤自身形成的光强分布在液体中形成的两维热栅。从理论和实验上发展了一种测定液体热导率的光热方法--多点源光热法。着重介绍了多点源光热法的实验装置和其测量液体热导系数的基本理论。然后用该方法测量了水、乙醇、丙酮三种常见液体的热导率,并将实验结果于与公认值进行了比较。良好的符合情况证明了多点源光热法测量液体热导系数的有效性。   第四章,利用激光激发和光差分技术检测声表面波来研究特富龙(聚四氟乙烯)薄膜的弹性参数。主要包括以下五个部分内容:1、简要的介绍了激光激发和检测超声波技术的优点及其发展,分析了利用纳秒量级的脉冲线光源在固体表面激发宽频声表面波的原理。2、说明了声表面波在薄膜/基底(薄膜和基底均为各向同性材料)双层结构材料中的传播过程,并以铜基底和特富龙(聚四氟乙烯)薄膜为例,对在其内部传播的声表面波相速度色散曲线做了数值模拟,得出薄膜厚度及特富龙、铜各自的声表面波速度对最终薄膜/基底双层材料声表面波色散曲线的影响。3、介绍了使用平衡接收器的光差分技术检测声表面波信号的原理和方法。4、利用激光激发及光差分技术检测声表面波检测了硅和铜体材料的声表面波速度,证实该方法激发和检测声表面波信号的可行性。5、利用激光激发和光差分技术检测声表面波的方法研究了生长在铜基底上的特富龙薄膜的弹性系数,并对结果进行了分析。通过对特富龙薄膜和特富龙体材料的红外吸收谱的比较,论证了由声表面波色散曲线反演出的特富龙薄膜弹性系数的可靠性。   最后,在第五章中,对全文进行了总结。
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