CN116625993B - 一种热力耦合作用下的复合材料激光反射率测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热力耦合作用下的复合材料激光反射率测量方法,涉及材料测试领域,将样品安装在样品模具上,样品一端与数显拉力计相连,数显拉力计牵拉样品以使样品紧贴样品模具的导热铜台上,调节加热台功率以使样品温度达到预定值;待样品上温度稳定后,打开积分球上的激光器,同时控制升降装置使积分球下移至积分球检测口与样品模具紧密贴合,使用电流表读取当前探测器的电流值;随后关闭激光器再次使用电流表读取当前探测器的电流值;通过两次读取的电流值与最先标定的漫反射光强度基数计算样品的反射率,本发明具有对样品施加温度和张力的同时能够去除样品和加热台背景红外辐射的优点。
Description
技术领域
本发明涉及材料测试技术领域,尤其涉及一种热力耦合作用下的复合材料激光反射率测量方法。
背景技术
在激光成型和加工过程中材料反射率不仅随温度的变化而发生改变,高能激光辐照下材料表面形貌和结构也会发生改变,综合改变材料的表面反射率,材料属性变化导致激光成型加工过程中工艺温度控制具有很大难度。测量不同温度和张力下的材料反射率,是实现激光成型加工的关键技术,但目前并没有成熟的测试方法。
测量材料反射率最常用的是积分球法。积分球是在稳态光测量中应用较为广泛的装置,积分球内壁一般为反射率较高的漫反射涂层,入射到球体的光在球内壁经历多次漫反射后,在球面上形成均匀的光强分布,在球体内壁放置光电检测器,则检测到光强可以代表积分球内均匀分布的光强度。换言之,如果在积分球的任意地方开一个小口,测量小口的出射光强都可以获得几乎相同的光强。所以积分球是一个非常理想的转接装置,为后续的光强测量提供了较多的容错率。
授权公告号为CN102426129B的一种积分球反射率测量的样品加热装置,其公开了可实现样品加热状态下的反射率测量。但该装置仅对于易夹持且不易变形的金属样品实用性好,无法满足其他类型如纤维、薄膜、易受热变形的树脂等材料的加热,适用性范围窄,并且加热源长期与积分球接触,探测器极易受热损坏,即使有陶瓷隔热层保护也难以进行较高温度或长时间加热测量。
因此,针对以上不足,需要提供一种热力耦合作用下的复合材料激光反射率测量方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是解决现有的反射率测量装置不能准确对加热状态以及牵拉状态下的样品进行准确检测的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种热力耦合作用下的复合材料激光反射率测量方法,包括以下步骤,
Ⅰ.采用标准漫反射板对积分球进行漫反射光强度基数的标定;
Ⅱ.将样品安装在样品模具上,样品一端与数显拉力计相连,数显拉力计牵拉样品以使样品紧贴样品模具的导热铜台上,调节加热台功率以使样品温度达到预定值;
Ⅲ.待样品上温度稳定后,打开积分球上的激光器,同时控制升降装置使积分球下移至积分球检测口与样品模具紧密贴合,使用电流表读取当前探测器的电流值;随后关闭激光器再次使用电流表读取当前探测器的电流值;
Ⅳ.通过两次读取的电流值与最先标定的漫反射光强度基数计算样品的反射率。
作为对本发明的进一步说明,优选地,样品的反射率公式为:
其中,
为漫反射光强度基数;
为激光器打开时探测器输出的电流值;
为激光器关闭时探测器输出的电流值。
作为对本发明的进一步说明,优选地,样品模具内开设样品槽,样品与样品槽底端面抵接,样品槽底端面水平或倾斜。
作为对本发明的进一步说明,优选地,样品测试温度范围为20~500℃。
作为对本发明的进一步说明,优选地,积分球与样品之间最大间距为150mm,以使探测器运行在安全温度50℃以内。
作为对本发明的进一步说明,优选地,数显拉力计对样品施加的张力为0-500N。
作为对本发明的进一步说明,优选地,将样品替换为标准漫反射板,对其也进行加热和反射率的测量,然后与标准值进行对比以判断测量方法的准确性。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点:
本发明提供一种新的测量装置,结合新的测量方法,实现施加温度和张力的同时去除样品和加热台的背景红外辐射,实现多种材料体系、不同温度、不同张力以及温度张力偶合作用下材料激光反射率的测量。
附图说明
图1是本发明的测量装置结构图;
图2是本发明的测量装置侧视图;
图3是本发明的不同样品模具结构图;
图4是本发明的积分球漫反射原理图;
图5是本发明的升降装置对探测器探测温度的影响图;
图6是本发明的光源开启前后温度与反射率的对比图;
图7是本发明测量出的碳纤维复合材料反射率随温度变化曲线图。
图中:1、积分球;11、激光器;12、探测器;2、样品模具;3、加热台;4、样品;5、升降装置;6、数显拉力计;61、样品夹具;62、张力施加台。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
一种热力耦合作用下的复合材料激光反射率测量方法,基于一种测量装置,该装置由积分球1、样品模具2、加热台3、升降装置5和数显拉力计6组成,其中积分球1位于样品模具2正上方,样品模具2固定在加热台3上,积分球1滑动连接在升降装置5上,数显拉力计6架设在样品模具2一侧。
结合图1、图2,积分球1为球壳形结构,内壁涂有不透光的漫反射材料,其顶部、一侧和底部均开设有孔,用于安装光源、检测装置和待测物品。如图4所示,理想情况下,光源射出的光线在积分球1内匀光之后,表面的任意部分的光强都是相同的,可为后续的光强测量提供较高的容错度。积分球1顶部安装有激光器11,激光器11选择简易的激光器作为光源,方便任意选择不同波长的激光器作为光源提供入射光,且在使用中能保证光源出射光强相对稳定。积分球1一侧安装有探测器12,探测器12一般为PMT或SiPM(硅光电倍增管),PMT对光线十分敏感因此不能直接让光源照射PMT,会直接损坏PMT。而SiPM虽然可以直接测量强光,但是灵敏面积小,无法对光束进行有效的收集,因此本发明优先采用PMT。
结合图1、图3,样品模具2主要由导热铜台、上盖板和下盖板组成,样品模具2上的导热铜台嵌入加热台3内,加热台3为导热铜台进行供热,由导热铜台为样品4施加均匀的加热环境。导热铜台上设有不同倾斜角度的样品槽,倾斜角度为14°~21°,样品4可放置在样品槽上,然后通过上盖板和下盖板夹持样品4,使得具有不同样品槽的样品模具2可以测试不同入射角度下的温度-反射率曲线。
结合图1、图2,升降装置5主要由立柱和升降台组成,立柱立于实验台上,升降台通过滑轨滑动连接在立柱上且滑动方向为竖直方向,积分球1安装在升降台上,可使积分球1与样品4之间最大间距为150mm,如图5所示,根据实际测量,在积分球1与样品4达到最大间距时,即使样品4加热到480℃左右,探测器也能运行在安全温度50℃以内。另外设计初期,通过设计计算使升降台仅有150mm的高度差,可以避免将升降装置5做的过长而增加装置的制造成本,一举两得。升降台一侧设有手动或自动的锁止机构,用于使升降台固定在立柱上,进而固定住积分球1的位置。数显拉力计6可选用SGHF系列的手持仪表数显拉力计,其一端设有样品夹具61,样品夹具61可通过螺栓紧固的方式,将上下两片夹头与样品4紧密贴合,以达到夹持样品4的目的。数显拉力计6下方设有张力施加台62,张力施加台62上通过丝杠和光杆连接有支座,丝杠和光杆长度方向为水平方向且相互平行,丝杠一端连接有手柄或电机,通过手动旋转或电机旋转控制丝杠转动。数显拉力计6固定在支座上,以使数显拉力计6可沿丝杠和光杆的长度方向移动,配合样品夹具61的夹持实现对样品4的牵拉,给予样品4张力。
基于以上装置,材料反射率的测量方法包括以下步骤:
Ⅰ.采用标准漫反射板对积分球1进行漫反射光强度基数的标定。
Ⅱ.将样品4安装在样品模具2上,样品4紧贴导热铜台上的样品槽,样品4一端与数显拉力计6相连,通过控制丝杠转动以拉开数显拉力计6与样品4之间的距离,使数显拉力计6给予样品4张力。调节加热台3功率以使样品4温度达到预定值。样品4测试温度范围一般为20~500℃,数显拉力计6对样品4施加的张力为0-500N,其中施加的张力根据温度、湿度等环境变量处于动态变化,通过灵活调整张力能使样品达到预期形态,且可以同步测量样品在不同温度下受热收缩引起的张力变化,使该装置既能检测材料的反射率,还能间距检测材料受热后的收缩情况,一举两得。
Ⅲ.待样品4上温度稳定后,打开积分球1上的激光器11,同时控制升降装置5使积分球1下移至积分球检测口与样品模具2紧密贴合,使用电流表读取当前探测器12的电流值;随后关闭激光器11再次使用电流表读取当前探测器12的电流值/>。
Ⅳ.通过两次读取的电流值与最先标定的漫反射光强度基数计算样品的反射率。样品4的反射率公式为:
Ⅴ.最后将样品4替换为标准漫反射板,对其也进行加热和反射率的测量,然后与标准值进行对比以判断测量方法的准确性。
为验证上述方法的可行性和准确性,本发明使用聚醚醚酮/碳纤维复合材料预浸带作为样品4进行实验,该样品4尺寸为长250mm,宽6.5mm,厚0.25mm。实验参数如下:
对样品4施加张力50N,随后控制加热台3的温度为20℃、70℃、104℃、153℃、198℃、246℃、299℃、350℃、397℃、440℃、480℃,在不同温度下测试其反射率,通过二次测量方法获得了复合材料预浸带反射率随温度变化曲线。结合图6,图7所示,根据实验结果可知,碳纤维复合材料的激光反射率随温度的升高从19.64%降低到15.81%,降幅达3.84%,且反射率在300℃之后迅速降低,证明该碳纤维复合材料反射率随温度变化显著。
综上所述,本发明通过新设计的测试装置,结合新的测试方法,有效解决了现有积分球反射率测试设备无法在光场、热场、力场和结晶场等多物理场耦合调节下测量样品反射率的难题。对激光成型加工过程材料属性演化数据的测试,材料激光反射机理研究具有重要科研价值。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种热力耦合作用下的复合材料激光反射率测量方法,其特征在于:包括以下步骤,
Ⅰ.采用标准漫反射板对积分球(1)进行漫反射光强度基数的标定;
Ⅱ.将样品(4)安装在样品模具(2)上,样品(4)一端与数显拉力计(6)相连,数显拉力计(6)牵拉样品(4)以使样品(4)紧贴样品模具(2)的导热铜台上,数显拉力计(6)对样品施加的张力为0-500N,施加的张力根据温度、湿度处于动态变化,调节加热台(3)功率以使样品(4)温度达到预定值;通过灵活调整张力测量样品在不同温度下受热收缩引起的张力变化,以检测材料的反射率和检测材料受热后的收缩情况;
Ⅲ.待样品(4)上温度稳定后,打开积分球(1)上的激光器(11),同时控制升降装置(5)使积分球(1)下移至积分球(1)检测口与样品模具(2)紧密贴合,使用电流表读取当前探测器(12)的电流值;随后关闭激光器(11)再次使用电流表读取当前探测器(12)的电流值;
Ⅳ.通过两次读取的电流值与最先标定的漫反射光强度基数计算样品(4)的反射率,样品(4)的反射率公式为:
其中,
为漫反射光强度基数;
为激光器打开时探测器(12)输出的电流值;
为激光器关闭时探测器(12)输出的电流值。
2.根据权利要求1所述的一种热力耦合作用下的复合材料激光反射率测量方法,其特征在于:样品模具(2)内开设样品槽,样品(4)与样品槽底端面抵接,样品槽底端面水平或倾斜。
3.根据权利要求2所述的一种热力耦合作用下的复合材料激光反射率测量方法,其特征在于:样品(4)测试温度范围为20~500℃。
4.根据权利要求3所述的一种热力耦合作用下的复合材料激光反射率测量方法,其特征在于:积分球(1)与样品(4)之间最大间距为150mm,以使探测器(12)运行在安全温度50℃以内。
5.根据权利要求4所述的一种热力耦合作用下的复合材料激光反射率测量方法,其特征在于:将样品(4)替换为标准漫反射板,对其也进行加热和反射率的测量,然后与标准值进行对比以判断测量方法的准确性。
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