izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2023-1-36-43izmertech-1488Research ArticleТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯTHERMOPHYSIC MEASUREMENTSТемпературопроводность оптических материалов и изделий: определение термографическим экспресс-способом без вырезки образцов из массиваMeasurement of the thermal diffusivity of optical materials and products by a new thermographic express method that does not require cutting samples from bulkhttps://orcid.org/0000-0001-6804-7057ГоловинЮ. И.GolovinYu. I.

Юрий Иванович Головин

Тамбов

Москва

Yuri I. Golovin

Tambov

Moscow

yugolovin@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9600-8140СамодуровА. А.SamodurovA. A.

Александр Алексеевич Самодуров

Тамбов

Alexander A. Samodurov

Tambov

samsasha@yandex.ruГоловинД. Ю.GolovinD. Yu.

Дмитрий Юрьевич Головин

Тамбов

Dmitri Yu. Golovin

Tambov

tarlin@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8020-2507ТюринА. И.TyurinA. I.

Александр Иванович Тюрин

Тамбов

Alexander I. Tyurin

Tambov

tyurin@tsu.tmb.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7578-0505ДивинА. Г.DivinA. G.

Александр Георгиевич Дивин

Тамбов

Alexander G. Divin

Tambov

agdv@yandex.ruЗахаровЮ. А.ZakharovYu. A.

Юрий Андреевич Захаров

Тамбов

Yuri А. Zakharov

Tambov

sci.zah@ya.ruТамбовский государственный университет им. Г. Р. Державина; Московский государственный университет им. М. В. ЛомоносоваРоссияDerzhavin Tambov State University;Russian FederationТамбовский государственный университет им. Г. Р. ДержавинаРоссияDerzhavin Tambov State UniversityRussian FederationТамбовский государственный технический университетРоссияTambov State Technical UniversityRussian Federation202320032023013643Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1488

Дан краткий обзор методов измерения температуро- и теплопроводности твёрдых материалов и показано, что применение большинства методов требует вырезки из исследуемых материалов образцов определённой геометрии, поэтому данные методы малопригодны для контроля готовой продукции. Предложен экспресс-метод определения температуро- и теплопроводности полупрозрачных материалов (элементов оптики), не требующий вырезки образца из контролируемого объекта. Суть метода заключается в регистрации и анализе нестационарного температурного поля на поверхности объекта контроля с помощью скоростной тепловизионной камеры. В качестве регистратора динамического температурного поля применён тепловизор – бесконтактный и быстродействующий прибор, обрабатывающий большой объём информации (каждый из сотен тысяч пикселов матрицы профессионального тепловизора является датчиком температуры в малой области поверхности). Пятно нестационарного нагрева создано сфокусированным пучком лазера. Предложен ступенчатый режим работы лазера – скачкообразное включение и работа в режиме непрерывного облучения с постоянной интенсивностью в течение всего времени измерений. Информация о температуро- и теплопроводности получена при изучении нестационарного температурного поля, образованного путём распространения тепловой энергии из пятна на периферию. Коэффициент температуропроводности определён по первичным данным тепловизора с использованием оригинальных алгоритма и программного обеспечения. Установлена специфика измерений температуро- и теплопроводности полупрозрачных материалов (элементов оптики): малый коэффициент поглощения излучения и возможная кривизна поверхности (например, линз), которая требует принятия специальных мер. Вследствие большого объёма информации, содержащейся в динамических картинах теплового поля, и возможности усреднения по большому массиву данных, среднее квадратическое отклонение результата измерения коэффициента температуропроводности не превышает 2 %. Учёт особенностей предложенного метода даёт возможность создавать портативные средства измерений теплофизических характеристик и контроля качества оптических материалов и изделий в производственных условиях, а также оценивать степень деградации свойств материалов и изделий в полевых условиях.

Thermal diffusivity a and thermal conductivity λ are important for many building, structural and functional material applications. They determine the intensity of heat transfer, the quality of thermal insulation, the rate of heating / cooling, reaching a stationary mode, and the efficiency of power equipment. In laser technology, the radiation strength of the optical components of the system depends upon them, and in laser technologies with material removal they determine the speed and quality of processing. Most methods for measuring a and λ in solid materials require cutting out samples of a certain geometry, which makes them unsuitable for testing finished products. The paper proposes and describes an express method for determining a and λ in translucent materials, which does not require cutting a sample from a controlled object. It consists in the analysis of a non-stationary temperature field on the surface of the test object using a high-speed thermal imaging camera. The unsteady heating spot was created by a focused laser beam. It was switched on abruptly and operated in the mode of continuous irradiation with a constant intensity during the entire time of measurements. Heat propagated from this spot to the periphery, creating a non-stationary temperature field containing information about a and λ. The a value was extracted from the primary data using original algorithms and software. A thermal imager, as a recorder of a dynamic temperature field, provides a number of advantages – non-contact, high speed and a large amount of information (each of the many hundreds of thousands of pixels of a professional thermal imager matrix is a temperature sensor in a small surface area). Measurements of a and λ in semitransparent materials of laser optics have their own specifics. The low radiation absorption coefficient and the possible curvature of the surface (for example, in lenses) require special measures, which are described in the article. Due to the large amount of information contained in the dynamic patterns of the thermal field and the possibility of averaging over a large data array, the RMS of the thermal diffusivity measurement does not exceed 2 %.

теплофизические характеристикикоэффициент температуропроводностиоптические материалыинфракрасная термографияthermophysical characteristicsthermal diffusivityoptical materialsinfrared thermography: работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 20-19-00602) и частичной поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках проекта по соглашению № 075-15-2021-709 (уникальный идентификатор проекта RF-2296.61321X0037), направленного на поддержку оборудования Центра коллективного пользования (ЦКП) ТГУ им. Г. Р. Державина.this research was funded by the Russian Scientific Foundation grant no. 20-19-00602 and partially supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation, the contract no. 075-15-2021-709, unique identifier of the project RF-2296.61321X0037, aimed on equipment maintenance of the Center for Collective Use of Scientific Equipment of Derzhavin Tambov State University.ReferencesПлатунов E. C., Баранов B. B., Буравой С. Е., Курепин В. В. Теплофизические измерения. СПб.: БИОНТ, 2010. 737 с.Platunov E. S., Baranov V. V., Buravoy S. E., Kurepin V. V. Teplofizicheskie izmereniya. St. Petersburg, BIONT Publ., 2010, 737 p. (In Russ)]Вавилов В. П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. 2-е изд. M.: ИД Спектр, 2013. 544 с. [Vavilov V. P. Infrakrasnaya termografiya i teplovoj kontrol’. Moscow, Spektr Publ., 2013, 544 p. (In Russ)]Vavilov V. P. Infrakrasnaya termografiya i teplovoj kontrol’. Moscow, Spektr Publ., 2013, 544 p. (In Russ)]Головин Д. Ю., Тюрин А. И., Самодуров А. А., Дивин А. Г., Головин Ю. И. Термографические методы неразрушающего экспресс-контроля. М.: Техносфера, 2018. 214 c.Golovin D. Yu., Tyurin A. I., Samodurov A. A., Divin A. G., Golovin Yu. I. Termograficheskie metody nerazrushayushchego ekspress-kontrolya. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2018, 214 p. (In Russ.)]Григорьянц А. Г. Основы лазерной обработки материалов. М.: Машиностроение, 1989. 304 с.Grigoriants A. G. Osnovi lasernoy obrabotki materialov. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1989, 304 p. (In Russ.)]Маненков А. А., Прохоров А. М. Лазерное разрушение прозрачных твёрдых тел // УФН. 1986. Т. 148. Вып. 1. С. 179– 211. https://doi.org/10.3367/UFNr.0148.198601h.0179Manenkov A. A., Prokhorov A. M. Sov. Phys. Usp. 1986, vol. 29, pp. 104–122. https://doi.org/10.1070/PU1986v029n01ABEH003117 ]Papernov S. Defect induced damage, Ch. 3 in book: Laser-induced damage in optical materials (Ed. Ristau D.). CRC Press, 2015, pp. 25–73.Papernov S. Defect induced damage, Ch. 3 in book: Laser-induced damage in optical materials (Ed. Ristau D.). CRC Press, 2015, pp. 25–73.Klein D., Eisfeld E., Roth J. J. Phys. D: Appl. Phys. 2021, vol. 54, 015103. https://doi.org/10.1088/1361-6463/abb38eKlein D., Eisfeld E., Roth J. J. Phys. D: Appl. Phys. 2021, vol. 54, 015103. https://doi.org/10.1088/1361-6463/abb38eBrown A., Bernot D., Ogloza A., Olson K., Thomas J., Talghader J. Scientific Reports. 2019, no. 9, 635. https://doi.org/10.1038/s41598-018-37337-5Brown A., Bernot D., Ogloza A., Olson K., Thomas J., Talghader J. Scientific Reports. 2019, no. 9, 635. https://doi.org/10.1038/s41598-018-37337-5Chen M., Ding W., Cheng J., Yang H., Liu Q. Applied Science. 2020, no. 10, 6642. https://doi.org/10.3390/app10196642Chen M., Ding W., Cheng J., Yang H., Liu Q. Applied Science. 2020, no. 10, 6642. https://doi.org/10.3390/app10196642Femtosecond Laser Micromachining. Photonic and Microfluidic Devices in Transparent Materials (eds. Osellame R., Cerullo G., Ramponi R.). Berlin-Heidelberg, Springer-Verlag, 2012, 486 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-23366-1Femtosecond Laser Micromachining. Photonic and Microfluidic Devices in Transparent Materials (eds. Osellame R., Cerullo G., Ramponi R.). Berlin-Heidelberg, Springer-Verlag, 2012, 486 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-23366-1Sima F., Sugioka K., Va’ zquez R. M., Osellame R., Kelemen L., Ormos P. Nanophotonics. 2018, vol. 7, no. 3, pp. 613–634. https://doi.org/0.1515/nanoph-2017-0097Sima F., Sugioka K., Va’ zquez R. M., Osellame R., Kelemen L., Ormos P. Nanophotonics. 2018, vol. 7, no. 3, pp. 613–634. https://doi.org/0.1515/nanoph-2017-0097Parker W. J., Jenkins R. J., Butler C. P. Abbott G. L. Flash Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity and Thermal Conductivity. J. Applied Physics. 1961, vol. 32, no. 9, pp. 1679–1684.Parker W. J., Jenkins R. J., Butler C. P. Abbott G. L. Flash Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity and Thermal Conductivity. J. Applied Physics. 1961, vol. 32, no. 9, pp. 1679–1684.Cernuschi F., Bison P., Figari A., Marinetti S., Grinzato E. Int. J. Thermophysics. 2004, vol. 25, no. 2, pp. 439–457. https://doi.org/10.1023/B:IJOT.0000028480.27206.cbCernuschi F., Bison P., Figari A., Marinetti S., Grinzato E. Int. J. Thermophysics. 2004, vol. 25, no. 2, pp. 439–457. https://doi.org/10.1023/B:IJOT.0000028480.27206.cbVozar L., Hohenauer W. High Temp.-High Press.Vozar L., Hohenauer W. High Temp.-High Press./2004, vol. 35/36, pp. 253–264. https://doi.org/10.1068/htjr119/2004, vol. 35/36, pp. 253–264. https://doi.org/10.1068/htjr119Dong H., Zheng B., Chen F. Infrared Physics & Technology. 2015, vol. 73, pp. 130–140. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2015.09.021Dong H., Zheng B., Chen F. Infrared Physics & Technology. 2015, vol. 73, pp. 130–140. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2015.09.021Kruczek T., Adamczyk W. P., Bialecki R. A. Int. J. Thermophys. 2013, vol. 34, pp. 467–485. https://doi.org/10.1007/s10765-013-1413-3Kruczek T., Adamczyk W. P., Bialecki R. A. Int. J. Thermophys. 2013, vol. 34, pp. 467–485. https://doi.org/10.1007/s10765-013-1413-3McMasters R. L., Dinwiddie R. B. J. Thermophys. and Heat Transfer. 2014, vol. 28, no. 3, pp. 518–523. https://doi.org/10.2514/1.T4189McMasters R. L., Dinwiddie R. B. J. Thermophys. and Heat Transfer. 2014, vol. 28, no. 3, pp. 518–523. https://doi.org/10.2514/1.T4189Adamczyk W., Ostrowski Z., Ryfa A. Measurement. 2020, vol. 165, 108078. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2020.108078Adamczyk W., Ostrowski Z., Ryfa A. Measurement. 2020, vol. 165, 108078. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2020.108078Wang L., Gandorfer M., Selvam T., Schwieger W. Materials Letters. 2018, vol. 221, pp. 322–325. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.03.157Wang L., Gandorfer M., Selvam T., Schwieger W. Materials Letters. 2018, vol. 221, pp. 322–325. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.03.157Coquard R., Panel B. Int. J. Thermal Sci. 2009, vol. 48, pp. 747–760. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2008.06.005Coquard R., Panel B. Int. J. Thermal Sci. 2009, vol. 48, pp. 747–760. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2008.06.005Salazar A., Mendioroz A., Apiñaniz E., Pradere C., Noël F., Batsale J.-C. Meas. Sci. Technology. 2014, vol. 25, 035604. https://doi.org/10.1088/0957-0233/25/3/035604Salazar A., Mendioroz A., Apiñaniz E., Pradere C., Noël F., Batsale J.-C. Meas. Sci. Technology. 2014, vol. 25, 035604. https://doi.org/10.1088/0957-0233/25/3/035604Pech-May N. W., Mendioroz A., Salazar A. Review of Scientific Instruments. 2014, vol. 85, pp. 104902-1–104902-6. https://doi.org/10.1063/1.4897619Pech-May N. W., Mendioroz A., Salazar A. Review of Scientific Instruments. 2014, vol. 85, pp. 104902-1–104902-6. https://doi.org/10.1063/1.4897619Graham S., McDowell D., Dinwiddie R. In-Plane Thermal Diffusivity Measurements of Orthotropic Materials. Thermal Conductivity. 1999, vol. 24, pp. 241–252.Graham S., McDowell D., Dinwiddie R. In-Plane Thermal Diffusivity Measurements of Orthotropic Materials. Thermal Conductivity. 1999, vol. 24, pp. 241–252.Cernuschi F., Russo A., Lorenzoni L., Figari A. Rev. Sci. Instrum. 2001, vol. 72, no. 10, pp. 3988–3995. https://doi.org/10.1063/1.1400151Cernuschi F., Russo A., Lorenzoni L., Figari A. Rev. Sci. Instrum. 2001, vol. 72, no. 10, pp. 3988–3995. https://doi.org/10.1063/1.1400151Murphy F., Kehoe T., Pietralla M., Winfield R., Floyd L. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2005, vol. 48, pp. 1395–1402. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.09.046Murphy F., Kehoe T., Pietralla M., Winfield R., Floyd L. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2005, vol. 48, pp. 1395–1402. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.09.046Kim S. W., Kim J. C., Lee S. H. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2006, vol. 49, iss. 3-4, pp. 611–616. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2005.07.050Kim S. W., Kim J. C., Lee S. H. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2006, vol. 49, iss. 3-4, pp. 611–616. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2005.07.050Kehoe T., Murphy F., Kelly P. A. Int. J. Thermophys. 2009, vol. 30, pp. 987–1000. https://doi.org/10.1007/s10765-009-0574-6Kehoe T., Murphy F., Kelly P. A. Int. J. Thermophys. 2009, vol. 30, pp. 987–1000. https://doi.org/10.1007/s10765-009-0574-6Roche J. M., Balageas D. L. Quantitative InfraRed Thermography Journal. 2015, vol. 12, no. 1, pp. 1–23. https://doi.org/10.1080/17686733.2014.996341Roche J. M., Balageas D. L. Quantitative InfraRed Thermography Journal. 2015, vol. 12, no. 1, pp. 1–23. https://doi.org/10.1080/17686733.2014.996341Almond D. P., Angioni S. L., Pickering S. G. NDT&E International. 2017, vol. 87, pp. 7–14. https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2017.01.003Almond D. P., Angioni S. L., Pickering S. G. NDT&E International. 2017, vol. 87, pp. 7–14. https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2017.01.003Palumbo D., Cavallo P., Galietti U. NDT&E International. 2019, vol. 102, pp. 254–263. https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2018.12.011Palumbo D., Cavallo P., Galietti U. NDT&E International. 2019, vol. 102, pp. 254–263. https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2018.12.011Ciampa F., Mahmoodi P., Pinto F., Meo M. Sensors. 2018, vol. 18, iss. 2, 609. https://doi.org/10.3390/s18020609Ciampa F., Mahmoodi P., Pinto F., Meo M. Sensors. 2018, vol. 18, iss. 2, 609. https://doi.org/10.3390/s18020609Hammerschmidt U., Hameury J., Strnad R., Turzó-Andras E., Wu J. It. J. Thermophys. 2015, vol. 36, pp. 1530–1544. https://doi.org/10.1007/s10765-015-1863-xHammerschmidt U., Hameury J., Strnad R., Turzó-Andras E., Wu J. It. J. Thermophys. 2015, vol. 36, pp. 1530–1544. https://doi.org/10.1007/s10765-015-1863-xGolovin D. Yu., Divin A. G., Samodurov A. A., Tyurin A. I., Golovin Yu. I. Temperature Diffusivity Measurement and Nondestructive Testing Requiring No Extensive Sample Preparation and Using Stepwise Point Heating and IR Thermography, Chapter 7, in Failure Analysis. InTechOpen, London, UK, 2019, pp. 125–150. https://doi.org/10.5772/intechopen.88302Golovin D. Yu., Divin A. G., Samodurov A. A., Tyurin A. I., Golovin Yu. I. Temperature Diffusivity Measurement and Nondestructive Testing Requiring No Extensive Sample Preparation and Using Stepwise Point Heating and IR Thermography, Chapter 7, in Failure Analysis. InTechOpen, London, UK, 2019, pp. 125–150. https://doi.org/10.5772/intechopen.88302Головин Д. Ю., Дивин А. Г., Самодуров А. А., Тюрин А. И., Головин Ю. И. Определение температуропроводности материалов неразрушающим экспресс-методом, с использованием ступенчатого точечного нагрева поверхности и высокоскоростной термографии // Измерительная техника. 2019. № 8. С. 47–52. https://doi.org/10.32446/0368-102it.2019-8-47-52Golovin D. Y., Divin A. G., Samodurov A. A. et al. Measurement Techniques. 2019, vol. 62, no. 8, pp. 714–721. https://doi.org/10.1007/s11018-019-01684-0 ]Carslaw H. C., Jaeger J. C. Conduction of Heat in Solid. Oxford, Oxford University Press, 1959.Carslaw H. C., Jaeger J. C. Conduction of Heat in Solid. Oxford, Oxford University Press, 1959.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.