Температуропроводность оптических материалов и изделий: определение термографическим экспресс-способом без вырезки образцов из массива

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.

1. Платунов E. C., Баранов B. B., Буравой С. Е., Курепин В. В. Теплофизические измерения. СПб.: БИОНТ, 2010. 737 с.

2. 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)]

3. 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.

4. Григорьянц А. Г. Основы лазерной обработки материалов. М.: Машиностроение, 1989. 304 с.

5. 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.0179

6. Papernov S. Defect induced damage, Ch. 3 in book: Laser-induced damage in optical materials (Ed. Ristau D.). CRC Press, 2015, pp. 25–73.

7. Klein D., Eisfeld E., Roth J. J. Phys. D: Appl. Phys. 2021, vol. 54, 015103. https://doi.org/10.1088/1361-6463/abb38e

8. Brown A., Bernot D., Ogloza A., Olson K., Thomas J., Talghader J. Scientific Reports. 2019, no. 9, 635. https://doi.org/10.1038/s41598-018-37337-5

9. Chen M., Ding W., Cheng J., Yang H., Liu Q. Applied Science. 2020, no. 10, 6642. https://doi.org/10.3390/app10196642

10. Femtosecond 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/10.1007/978-3-642-23366-1

11. Sima 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-2017-0097

12. 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.

13. 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.cb

14. Vozar L., Hohenauer W. High Temp.-High Press.

15. /2004, vol. 35/36, pp. 253–264. https://doi.org/10.1068/htjr119

16. Dong H., Zheng B., Chen F. Infrared Physics & Technology. 2015, vol. 73, pp. 130–140. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2015.09.021

17. Kruczek T., Adamczyk W. P., Bialecki R. A. Int. J. Thermophys. 2013, vol. 34, pp. 467–485. https://doi.org/10.1007/s10765-013-1413-3

18. McMasters R. L., Dinwiddie R. B. J. Thermophys. and Heat Transfer. 2014, vol. 28, no. 3, pp. 518–523. https://doi.org/10.2514/1.T4189

19. Adamczyk W., Ostrowski Z., Ryfa A. Measurement. 2020, vol. 165, 108078. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2020.108078

20. Wang L., Gandorfer M., Selvam T., Schwieger W. Materials Letters. 2018, vol. 221, pp. 322–325. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.03.157

21. Coquard R., Panel B. Int. J. Thermal Sci. 2009, vol. 48, pp. 747–760. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2008.06.005

22. Salazar A., Mendioroz A., Apiñaniz E., Pradere C., Noël F., Batsale J.-C. Meas. Sci. Technology. 2014, vol. 25, 035604. https://doi.org/10.1088/0957-0233/25/3/035604

23. Pech-May N. W., Mendioroz A., Salazar A. Review of Scientific Instruments. 2014, vol. 85, pp. 104902-1–104902-6. https://doi.org/10.1063/1.4897619

24. Graham S., McDowell D., Dinwiddie R. In-Plane Thermal Diffusivity Measurements of Orthotropic Materials. Thermal Conductivity. 1999, vol. 24, pp. 241–252.

25. Cernuschi F., Russo A., Lorenzoni L., Figari A. Rev. Sci. Instrum. 2001, vol. 72, no. 10, pp. 3988–3995. https://doi.org/10.1063/1.1400151

26. Murphy 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.2004.09.046

27. Kim 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.2005.07.050

28. Kehoe T., Murphy F., Kelly P. A. Int. J. Thermophys. 2009, vol. 30, pp. 987–1000. https://doi.org/10.1007/s10765-009-0574-6

29. Roche J. M., Balageas D. L. Quantitative InfraRed Thermography Journal. 2015, vol. 12, no. 1, pp. 1–23. https://doi.org/10.1080/17686733.2014.996341

30. Almond D. P., Angioni S. L., Pickering S. G. NDT&E International. 2017, vol. 87, pp. 7–14. https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2017.01.003

31. Palumbo D., Cavallo P., Galietti U. NDT&E International. 2019, vol. 102, pp. 254–263. https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2018.12.011

32. Ciampa F., Mahmoodi P., Pinto F., Meo M. Sensors. 2018, vol. 18, iss. 2, 609. https://doi.org/10.3390/s18020609

33. Hammerschmidt 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-x

34. Golovin 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.88302

35. Головин 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.2019-8-47-52

36. Carslaw H. C., Jaeger J. C. Conduction of Heat in Solid. Oxford, Oxford University Press, 1959.