分享：基于激光闪射法测量某内燃机铝合金活塞的热物性参数

张振威,蒋 锐,赵 洁,李雨蕾,朱宇瑾,陈 耘,唐家耘 

(中国兵器科学研究院 宁波分院,宁波 315103) 

摘 要:基于激光闪射法,采用闪射法导热仪测量了不同温度下某内燃机铝合金活塞的比热容、 热扩散系数及导热系数。结果表明:随着温度的升高,该内燃机铝合金活塞的热扩散系数逐渐减 小,比热容逐渐升高,导热系数在一定温度范围内呈逐渐增大的趋势。

关键词:激光闪射法;导热系数;比热容;热扩散系数;铝合金 

中图分类号:TG115.25 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)03-0026-03

导热系数和热扩散系数是反映材料热传导性能 的重要热物性参数。激光闪射法(LFA)是测量材 料热物性参数的常用方法之一,属于导热测试“瞬态 法”的一种,它可以直接、精确地测量出材料的热扩 散系数,也可以通过材料的比热容和密度,快速计算 出导热系数。激光闪射法因其测量温度范围大、测 量便捷 及 测 量 速 度 较 快,被 广 泛 应 用 于 各 个 行 业[1-2]。

铝合金具有密度小、比强度高等优点,在军事装 备和航空航天内燃机等领域有着重要的应用[3]。王 文杰等[4]对铝合金活塞进行了低周疲劳试验,得出 铝合金活塞在燃烧室喉口部位的低周疲劳寿命最 低。刘昊[5]通过有限元软件,对铝合金活塞成形加 工仿真与切削参数进行了优化。林雄萍等[6]基于导 热特性分析,对 S195 活塞进行了改进设计。内燃 机工作时,活塞直接与高温高压气体接触,通过分析 其热物性参数,有助于对活塞热流分布和活塞结构 进行优化,为活塞换热和热应力集中现象的结构设 计提供技术支持[6]。

笔者基于激光闪射法对不同温度下某内燃机 铝合金活塞 的 热 扩 散 系 数、比 热 容 和 导 热 系 数 进 行测量,以期 为 该 类 铝 合 金 活 塞 的 热 传 导 性 能 研 究提供参考。

1 激光闪射法的测量原理 

1.1 激光闪射法检测系统及测量原理 

激光闪射法检测系统包含激光源、样品室、环境 控制附件、温度探测器和数据记录装置,如图1所 示。激光源一般是指可以产生短周期能量脉冲的装 置,并且能量脉冲辐照到试样表面的能量较均匀,不 能出现中心能量比周边能量高的热斑现象。样品室 及环境控制附件主要是为了保证能在高于或低于环 境温度的条件下进行试验。信号采集与处理一般包 括电子线路室温偏移读取、脉冲峰滤光镜、信号放大 和模拟数字转换。数据记录装置能以不同速度记录 一个脉冲周期内的数据,可用于试样温度下降过程 中的低分辨率数据记录,也可用于试样温度上升之 前和温度升高后的高分辨率数据记录。 

激光闪射法是通过将试样放置于保护气氛的样 品室中进行短时间激光辐照,采用红外探测器检测 试样的温度,其原理如图2所示,由式(1)可以计算 出试样的导热系数[7]。 λ=α·ρ·Cp (1) 式中:λ 为导热系数,W/(m·K);α 为热扩散系数, m2/s;ρ为体积密度,kg/m3;Cp 为比热容,J/(kg·K)

1.2 热扩散系数的计算原理 

在用激光闪射法测量热扩散系数时,设定以下 初始条件: (1)激光脉冲的周期极短,与试样背面温度达到 最高温度的1/2所需的时间相比可以忽略不计; (2)热量只在垂直的一维方向上传播,没有横 向热传播且没有任何热损耗; (3)光源的能量束斑任何一点的强度都相同, 试样均匀不透光,能量吸收发生在试样表面薄层内。 在某一恒定温度下,试样背面的温度随时间的 变化可通过式(2)计算得出[8]。

T(x,t)=L1∫L0T(x,0)dx+ 2L∑肀 n=1exp -n2π2αt L2 · cosnLπx∫L0T(x,0)cosnπxL dx (2) 式中:T 为温度,K;x 为距离试样正面的距离,m;t 为响应时间,s;L 为试样厚度,m;n 为正自然数。 当一个辐射能量脉冲(Q)瞬间射入试样正面(x 为0mm)并被均匀吸收,假设吸收层的深度为g, 则此时温度分布可通过式(3)计算得出。 T(x,0)= Q/ρCpg 0 ,0<x <g ,g <x <L (3) 根据初始条件,试样背面的温度随时间的变化 可以用式(4)表示。 T(x,0)=ρCQpL 1+2∑肀 n=1cosnπxL ·sin(nπg/L) nπg/L · ????exp -n2π2 L2 αt ???? (4) 当x=L 时,试样背面的温度随时间的变化可 用式(5)表示。 T(L,t)= QρCpL 1+2∑肀 n=1(-1)n exp -n2π2 L2 αt ????(5) 引入两个无量纲参数V 和ω,如式(6)和式(7)所示。 V(L,t)=T(L,t) Tmax (6) ω=π2αtL2 (7) 式中:Tmax 为试样背面的最高温度,K。 根据式(5)和式(7),可得式(8)。 V(L,t)=1+2∑肀 n=1(-1)nexp(-n2ω) (8) 当V=0.5,ω=1.38时,材料的热扩散系数可用 式(9)表示。 α=0.1388L2 t1/2 (9) 式中:t1/2 表示试样背面温度达到最高温度的 1/2 所需的时间

1.3 比热容,s的。计算原理

激光闪射法可同时测量多个试样,通过比较法 可得出待测试样的比热容。具体是将一个已知比热 容的标准试样与待测试样同时放在多样品室内,在 相同的测试条件下进行试验,通过能量平衡方程式 计算得出待测试样的比热容[9],如式(10)所示。 CpX =CpB·MB·ΔTB MX·ΔTX (10) 式中:CpB,CpX 分别为标准试样和待测试样的比热 容,J/(kg·K);MB,MX 分别为标准试样和待测试样 的质量,g;ΔTB,ΔTX 分别为标准试样和待测试样 受激光辐照后温度升高的最大值,℃。

2 试验材料与方法

在 某 内 燃 机 铝 合 金 活 塞 上 截 取 直 径 为 12.75mm、厚度为1~3mm 的试样,待测铝合金活塞 试样密度为2.769g/cm3。试验前,在试样表面喷涂 一层薄且均匀的石墨涂层,然后将其放入 NETZSCH LFA467HTHyperFlash型闪射法导热仪样品室。试 验温度分别为25,200,250,300,350,400 ℃,每个温 度的激光闪射数为3个,参比标准试样为石墨。 

由式(9)可知,材料的热扩散系数与试样厚度的 平方成正比,测量出试样厚度后,根据图3所示的特 征信号曲线,确定试样背面温度达到最高温度的一 半所需的时间。

3 试验结果与分析 

由表1和图4可见:随着温度的升高,该铝合金 活塞试样的热扩散系数逐渐减小,这是由于材料在受 热升温、非稳态导热过程中,进入物体的热量不断被 吸收而使局部温度升高,使温度梯度减小,传热速率 降低;随着温度的升高,该铝合金活塞试样的比热容 整体呈升高的趋势,其导热系数在一定温度范围内呈 逐渐升高的趋势,导热系数与温度的关系比较复杂, 这是因为金属材料的热传导主要是通过电子的运动, 温度越高,电子运动越剧烈,导热系数也越高。

在激光闪射法测量系统中待测试样的比热容是 通过比较法测量得出的,它的结果直接影响导热系 数的准确性,可以通过增加闪射点数量,定期对设备 进行维护、保养与校准,或者使用差示扫描量热法 (DSC)测 量 该 铝 合 金 活 塞 的 比 热 容 来 提 高 测 量 精度[2]。 

4 结论

基于激光闪射法测量了某内燃机铝合金活塞的 热物性参数。随着温度的升高,该内燃机铝合金活 塞的热扩散系数逐渐减小,比热容逐渐升高,导热系 数在一定温度范围内呈逐渐增大的趋势。 

参考文献: [1] 金玲,李红侠,倪俊.激光闪射法对石墨烯薄膜导热性 能的研究[J].能源研究与利用,2020(1):46-48. [2] 王洛,刘自民,饶磊,等.激光闪射法测量金属试样导 热系数的不确定度评定的探讨[J].安徽冶金科技职 业学院学报,2019,29(4):15-18.[3] 臧金鑫,邢清源,陈军洲,等.800 MPa级超高强度铝 合金的时效析出行为[J].材料工程,2021,49(4):71- 77. [4] 王文杰,许春光,王国莹,等.铝合金活塞低周材料性 能表征及寿命预测[J].车用发动机,2020(3):57-63. [5] 刘昊.铝合金活塞加工仿真与切削参数优化研究[D]. 济南:山东大学,2020. [6] 林雄萍,钟 晓 龙,袁 嘉 隆,等.基 于 导 热 特 性 分 析 的 S195柴油机活塞改进设计[J].集美大学学报(自然科 学版),2013,18(2):124-127. [7] 苗社强,周永胜.激光闪射法测量一种砂岩的高温热 扩散系数 和 热 导 率 [J].矿 物 岩 石 地 球 化 学 通 报, 2017,36(3):450-454. [8] 葛山,尹玉成.激光闪光法测定耐火材料导热系数的 原理与方法[J].理化检验(物理分册),2008,44(2): 75-78,96. [9] 奚同庚.无机材料热物性学[M].上海:上海科学技术 出版社,1981.

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