[发明专利]一种大尺寸块体材料的化学成分分布的表征方法

说明书

本发明涉及一种大尺寸块体材料的化学成分分布的表征方法，基于块体材料中不同成分对热的传导效率不同，在块体材料的一面均匀传热的情况下，检测与所述块体材料的传热一面平行且相对的另一面的温度分布以表征所述块体材料的成分分布。本发明中所述表征方法可以用于表征化学成分的数目和分布的均匀性程度，即它测试的是材料各个部位的成分是否一样，热传导不同的成分数目，并可以通过各点温度的差异来分析一致性的程度。

技术领域

本发明涉及一种大尺寸块体材料的化学成分分布的表征方法，属于透明的单晶、玻璃、陶瓷和塑料等材料的表征技术领域，主要用于质量检测以及相关测试设备的设计和应用。

背景技术

透明单晶、玻璃、陶瓷和塑料具有丰富的光电功能，可以用于制备激光器、安检探测器、医用层析扫描探测器、照明显示光源、汽车前灯、环境指示标志物、电磁量能器、光纤通信增益放大器等与工业制造、国家安全和居家生活密切相关的各类产品，是这些应用领域的关键材料支撑。由于这些材料主要是通过基质掺杂来实现相应的材料性能，高性能的材料要求内部的化学成分尽可能均匀分布；而且应用于产品的原始毛坯一般是厘米级别的大尺寸材料，因此提供大尺寸下材料化学成分分布均匀性的程度是这类材料研究和应用的基础技术数据，也是选择和应用相关材料的关键标准之一。

目前现有的化学成分表征方法均难以满足这种表征大尺寸透明材料化学成分分布的要求。比如火焰原子发射光谱法或等离子体原子发射光谱法需要破坏材料，而且是局部取样，并不能反映成分的均匀程度。虽然电子探针技术可以利用面扫描获得二维成分分布，但是其面扫描是微米大小的区域取样，本质上还是局部取样，而且为了满足导电性要求，只能用于毫米级或更小的块体，同样不能适用于大尺寸材料。同样地，X射线荧光法测试虽然实现了面扫描来反映化学成分均匀性的功能，但是目前只能在同步辐射等大科学中心中实现，其使用时间和费用不能满足一般机构或常规产品检测的要求。

在现有化学成分表征方法难以满足大尺寸透明材料化学成分分布测试要求的条件下，目前一般通过光学检测的方法来评估透明材料的成分均匀性，即通过测试材料的吸收或透过率、观察材料表观色块分布等来实现。但是这些方法主要适用于存在明显杂质或者高浓度成分聚集的材料，这是因为光学检测法对于吸收差别小或者所掺杂成分存在高吸收的材料，其吸收或透过率谱图只能表示该区域存在吸收，而具体情况则由于突破了测试阈限(比如吸收超过100％或直线透过率小于0％)而不得而知。至于肉眼观察材料表观色块分布的方法则更为粗糙，比如对于有色的透明材料，采用这种方法连内部的微裂纹等也可能被忽略。因此迫切需要发明一种快捷的表征手段来满足企业乃至相关研发机构对透明材料的质量检测和规范的需求，同时也可以促进相关检测设备的设计和研发。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的提供一种大尺寸块体材料的化学成分分布的表征方法，基于块体材料中不同成分对热的传导效率不同，在块体材料的一面均匀传热(吸热或放热)的情况下，检测与所述块体材料的传热面平行且相对的另一面的温度分布以表征所述块体材料的成分分布。

由于不同原子的比热容不同，因此不同原子组合而成的化学成分自然具有不同的比热容，在传输同样的热量时，相应的温度变化就不一样，或者说各自的热传导效率是不同的。因此，本发明反其道而为之，即基于温度分布的测试来反过来表征材料的化学成分分布。此外，本发明上述方法主要适用于透明材料、透明性不好的材料甚至不透明的材料，优选适用于透明材料。利用本发明中上述方法对所述块体材料进行表征，此时所得的结果主要用于评价材料化学成分的均匀性。当上述块体材料可为透明材料时，其中透明材料内部存在化学成分差异的部位由于受到材料透明性的限制，因此对光波的内部散射比较小，这也同样降低了材料内部对热流传递的散射影响，不仅可以用于评价块体材料的化学成分的均匀性，还有助于提高温度分布与化学成分分布的直接关联性。

较佳地，所述块体材料为透明陶瓷、玻璃、单晶和塑料中的一种。

较佳地，所述块体材料的尺寸在至少两个维度上为厘米级以上。具体来说尺寸需要至少达到1厘米及其以上。