光声显微镜的检测技术

光声显微镜（PAM）检测的基本原理见本手册第9篇第1章。在光声显微镜中热波的穿透深度由热扩散长度μ_s决定：

式中 κ——热导率；

ρ——密度；

c——比热容；

f——斩波频率。

表12.3-9给出了用于计算陶瓷材料热扩散长度μ_s的材料常数。

表12.3-9 用于计算陶瓷材料热扩散长度的材料常数

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注：κ为热导率；ρ为密度；c为比热容。

在用努氏硬度试验压头，以1～12kg载荷在经加工热压氮化硅表面上制得裂纹的试样上，和在带孔洞（尺寸为20～50μm）烧结氮化硅试样上所做的试验表明，在激光功率为1.0W、斩波频率为300Hz、锁定放大器灵敏度为50μV、焦点尺寸为10～25μm情况下，当扫查速度为250μm/s时，最小可检裂纹是140μm长、70μm深；当扫描速度为50μm/s时最小可检裂纹是96μm长、48μm深。距表面50μm以内、尺寸为20～100μm的表面和内部孔洞是可探的。埋深200μm处的孔洞，即使尺寸大至200μm也不可检，这与在300Hz时，热扩散长度μ_s为138μm有关。尺寸为10～100μm的自然表面和近表面孔洞及夹杂物用PAM也是可检的。图12.3-15为在SSiC涡轮增压器上表面裂纹的PAM图像。此外，在球轴承、涡轮叶片和静叶片、陶瓷涂层和其他类型试样上所做的试验也都表明，PAM是一种高灵敏度的无损的表面分析技术。

应该指出，光声信号与缺陷的长度、深度、抗弯强度之间的关系是很分散的，如图12.3-16所示，这可能与小缺陷的三维特征可显著影响热波的相互作用和散射有关。

图12.3-15 在SSiC涡轮增压器上表面裂纹的PAM图像（相位图像，33kHz；10mm垂直位移相当于90°相移）

PAM图像的空间分辨力与SLAM或SAM是可比的，但是这种分辨力是靠牺牲扫查速率得来的，对于相同的空间分辨力，PAM是三种技术中速率最慢的，激光扫查速度受限于热惯性，在每一点上，射束必须滞留足够长的时间以得到一固定的热振荡数，对于-25μm的线分辨力，扫查1cm²面积约需4h。

SLAM和SAM需要液体耦合，只有PAM是非接触的。从概念上讲，因为它无需液体耦合剂，PAM将可用于未烧结陶瓷试件，但PAM有一严重的缺点，因为强度足以产生强声波的激光束可沿扫查线损伤表面，经损伤的试件在烧结后在扫查区可产生明显的裂纹，而在非扫查区则没有，因此，PAM不适合用于未烧结陶瓷。此外，对未烧结试样做连续扫查，可释放出气体，这可涂覆在罩的窗口上，阻塞激光束的进入。