基于紅外無損檢測技術的傳熱學探索

郭智磊

摘 要 紅外無損檢測技術主要是利用傳熱學的有關原理，對目標材料的缺陷進行精確檢測。本文首先運用傳熱學理念分析了紅外無損檢測技術的實際運算案例，然后對運算案例做出了進一步具體解析，最后探索了紅外無損檢測技術的傳熱學實驗和相關結果。

關鍵詞 紅外；無損檢測；技術；傳熱學；探索

中圖分類號 TN21 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）162-0179-02

在進行紅外無損檢測時，若是對檢測目標灌入恒定熱流，則假設樣品內部有著一定缺陷，由于缺陷部分和無缺陷部分的熱擴散系數存在差異，所以樣品表層對應的位置也會產生溫差。根據樣品表層溫度的變化情況，就可以知道樣品內部缺陷的大小、形狀、性質與深度。通常使用的檢測設備包括紅外熱像儀與熱敏涂料等。

1 有關傳熱學的分析與實際運算案例

對于一塊具有缺陷的平板材料，如果缺陷橫截面過大，導致其面積超過了整個平板的厚度，這時可以忽略掉熱流的橫向分散，僅僅結合厚度方面的熱流傳輸，就可以把該問題簡化成一個維熱傳導模型，從而將有缺陷的部分與沒有缺陷的部分區分開來，對這二者的實際溫度進行獨立求解。

在紅外無損的有關檢測過程中，最為關鍵的就是表層溫度T1s（t）與T2s（t）以及表層溫差△T（t）的實際數值。只有確定好這些數據以后，才能夠挑選出適當的檢測儀器、檢測設施，并且確保這些設施的靈敏度和精確度。若是將具有脫粘區的鍵合硅片作為例子，按照數值法進行運算，就可以繪制出幾組關于樣品的運算曲線圖。

2 運算案例的具體分析

例如，有一塊厚度為ι的鍵合硅片，且ι=480μm，在表層之下ι1=240μm的地方，有一處深度檢測數據為d=0.4μm的缺陷（即脫粘）。把這一樣品放在溫度為20℃的環境下，在其底面用60℃的恒定熱流加熱，這時便可以運用數值法，算出該樣品表層有缺陷部分及無缺陷部分中的溫度差值，具體以T1s（t）與T2s（t）表示，進而計算出這兩個部分的溫度差△Ts（t）。

在運用數值法計算樣品時，可以參照熱物理的相應數據，具體可見表1所示。在運算過程中，采用的二氧化硅熱轉換系數h=0.005w/cm2，可以算出表層溫度差和加熱時長之間的聯系、表層溫度差和脫粘區距離上層深度之間的聯系、表層溫差和脫粘厚度之間的聯系以及鍵合硅片缺陷顯示度和延遲時長t之間的聯系。

可以得知，硅片的熱擴散系數偏高，并且樣品偏薄，因而溫度分布達到穩定狀態所需的時間很短。在溫度穩定的時期內，△T的值較小，所以缺陷顯示度也會隨之減小。在這樣的條件之下，如果選用穩定法進行測量，就無法獲得較為精確的顯示度。若要想檢測出高度準確的缺陷顯示度，就要采用擬彩法與瞬態法，并在灌入熱流的同時對樣品展開測量。

隨著缺陷在材料中的深度越來越高，材料表層的溫度差會隨之越來越小。出現這樣的情況是因為缺陷上部的材料把熱量散布開來，從而導致表層溫度逐步下降。脫粘的厚度越大，其表層溫度差也就越大，這時候進行測量會更容易獲得精確數值。

一般來說，可以將缺陷顯示度視為測量缺陷的主要標準，其公式如下：

A=△Ts/T，

其中，△Ts代表的是有缺陷部分和無缺陷部分的表層溫度差值，T代表的是缺陷部分核心位置的表層溫度。從運算過程與結果可以看出，該案例中，缺陷顯示度和延遲時長之間的聯系表現出缺陷顯示度會隨著延遲時長的變化而變化，因此，可以將顯示度A所對應的時間視為最佳延遲時間，而這也屬于觀察實驗現象的最佳時間。

3 紅外無損檢測技術的傳熱學實驗和結果分析

運用AGA780紅外熱像儀，針對鍵合硅片內部的脫粘部分展開實驗觀察，把經過直接鍵合的硅片緊緊粘貼到加熱器的等溫層上，再依據上述運算方法和結果，利用瞬態法對其進行檢測。檢測過程中，要一邊灌入熱流，一邊測量數值，同時調整熱像儀掃描器和樣品之間的距離，保證樣品可以在熱像儀屏幕上形成清楚的影像。此后，鍵合硅片會在屏幕上呈現出紅外熱像圖，通過仔細觀察會發現圖上有一處發亮的位置，而該位置就是鍵合完成的部分。周圍較暗的位置就是缺陷部分，由于尚未鍵合完成的缺陷部分比鍵合完成的部分擁有更高的熱阻，所以對樣品反面進行加熱時，缺陷部分樣品表層要比鍵合完成部分的表層溫度更低，對應的熱圖像亮度也會更暗。

在進行測量時，可以利用掌控加熱時長調節熱流灌入樣品的深度。硅片厚度總體偏薄，所以，加熱溫度不能過高，加熱時間也不能太長，只要在熱像儀屏幕上顯示出了清楚的影像，就可以停止加熱。在測量時，要保證樣品表層的清潔，加熱器和樣品之間也應當有良性的接觸。

4 結論

根據理論上的相關運算與實踐測試可以看出，在進行實際測量時，最佳缺陷顯示度的時間比理論運算得出的時間更長。這是由于在實行一維運算的時候忽視了橫向熱擴散，也沒有關注到輻射熱阻與接觸熱阻，所以運算結果產生了一定偏差。若是以理論運算法得出的最佳加熱時間較短，則可以選用瞬時法；如果得出的時間較長，則可以選用穩態法。

參考文獻

[1]陳玨.紅外無損檢測技術的傳熱學分析[J].紅外與毫米波學報，2011（4）：285-288.

[2]陳林，范春利，王為清.紅外無損檢測的數值模擬及其對比性研究[J].紅外與激光工程，2013（9）：2330-2335.