張振威,蔣 銳,趙 潔,李雨蕾,朱宇瑾,陳 耘,唐家耘

(中國兵器科學研究院 寧波分院,寧波 315103)

摘 要:基于激光閃射法,采用閃射法導熱儀測量了不同溫度下某內燃機鋁合金活塞的比熱容、 熱擴散系數及導熱系數。結果表明:隨著溫度的升高,該內燃機鋁合金活塞的熱擴散系數逐漸減 小,比熱容逐漸升高,導熱系數在一定溫度范圍內呈逐漸增大的趨勢。

關鍵詞:激光閃射法;導熱系數;比熱容;熱擴散系數;鋁合金

中圖分類號:TG115.25 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)03-0026-03

導熱系數和熱擴散系數是反映材料熱傳導性能 的重要熱物性參數。激光閃射法(LFA)是測量材 料熱物性參數的常用方法之一,屬于導熱測試“瞬態 法”的一種,它可以直接、精確地測量出材料的熱擴 散系數,也可以通過材料的比熱容和密度,快速計算 出導熱系數。激光閃射法因其測量溫度范圍大、測 量便捷 及 測 量 速 度 較 快,被 廣 泛 應 用 于 各 個 行 業[1-2]。

鋁合金具有密度小、比強度高等優點,在軍事裝 備和航空航天內燃機等領域有著重要的應用[3]。王 文杰等[4]對鋁合金活塞進行了低周疲勞試驗,得出 鋁合金活塞在燃燒室喉口部位的低周疲勞壽命最 低。劉昊[5]通過有限元軟件,對鋁合金活塞成形加 工仿真與切削參數進行了優化。林雄萍等[6]基于導 熱特性分析,對 S195 活塞進行了改進設計。內燃 機工作時,活塞直接與高溫高壓氣體接觸,通過分析 其熱物性參數,有助于對活塞熱流分布和活塞結構 進行優化,為活塞換熱和熱應力集中現象的結構設 計提供技術支持[6]。

筆者基于激光閃射法對不同溫度下某內燃機 鋁合金活塞 的 熱 擴 散 系 數、比 熱 容 和 導 熱 系 數 進 行測量,以期 為 該 類 鋁 合 金 活 塞 的 熱 傳 導 性 能 研 究提供參考。

1 激光閃射法的測量原理

1.1 激光閃射法檢測系統及測量原理

激光閃射法檢測系統包含激光源、樣品室、環境 控制附件、溫度探測器和數據記錄裝置,如圖1所 示。激光源一般是指可以產生短周期能量脈沖的裝 置,并且能量脈沖輻照到試樣表面的能量較均勻,不 能出現中心能量比周邊能量高的熱斑現象。樣品室 及環境控制附件主要是為了保證能在高于或低于環 境溫度的條件下進行試驗。信號采集與處理一般包 括電子線路室溫偏移讀取、脈沖峰濾光鏡、信號放大 和模擬數字轉換。數據記錄裝置能以不同速度記錄 一個脈沖周期內的數據,可用于試樣溫度下降過程 中的低分辨率數據記錄,也可用于試樣溫度上升之 前和溫度升高后的高分辨率數據記錄。

激光閃射法是通過將試樣放置于保護氣氛的樣 品室中進行短時間激光輻照,采用紅外探測器檢測 試樣的溫度,其原理如圖2所示,由式(1)可以計算 出試樣的導熱系數[7]。 λ=α·ρ·Cp (1) 式中:λ 為導熱系數,W/(m·K);α 為熱擴散系數, m2/s;ρ為體積密度,kg/m3;Cp 為比熱容,J/(kg·K)

1.2 熱擴散系數的計算原理

在用激光閃射法測量熱擴散系數時,設定以下 初始條件: (1)激光脈沖的周期極短,與試樣背面溫度達到 最高溫度的1/2所需的時間相比可以忽略不計; (2)熱量只在垂直的一維方向上傳播,沒有橫 向熱傳播且沒有任何熱損耗; (3)光源的能量束斑任何一點的強度都相同, 試樣均勻不透光,能量吸收發生在試樣表面薄層內。 在某一恒定溫度下,試樣背面的溫度隨時間的 變化可通過式(2)計算得出[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 為溫度,K;x 為距離試樣正面的距離,m;t 為響應時間,s;L 為試樣厚度,m;n 為正自然數。 當一個輻射能量脈沖(Q)瞬間射入試樣正面(x 為0mm)并被均勻吸收,假設吸收層的深度為g, 則此時溫度分布可通過式(3)計算得出。 T(x,0)= Q/ρCpg 0 ,0<x <g ,g <x <L (3) 根據初始條件,試樣背面的溫度隨時間的變化 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) 當x=L 時,試樣背面的溫度隨時間的變化可 用式(5)表示。 T(L,t)= QρCpL 1+2∑肀 n=1(-1)n exp -n2π2 L2 αt ????(5) 引入兩個無量綱參數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 為試樣背面的最高溫度,K。 根據式(5)和式(7),可得式(8)。 V(L,t)=1+2∑肀 n=1(-1)nexp(-n2ω) (8) 當V=0.5,ω=1.38時,材料的熱擴散系數可用 式(9)表示。 α=0.1388L2 t1/2 (9) 式中:t1/2 表示試樣背面溫度達到最高溫度的 1/2 所需的時間

1.3 比熱容,s的。計算原理

激光閃射法可同時測量多個試樣,通過比較法 可得出待測試樣的比熱容。具體是將一個已知比熱 容的標準試樣與待測試樣同時放在多樣品室內,在 相同的測試條件下進行試驗,通過能量平衡方程式 計算得出待測試樣的比熱容[9],如式(10)所示。 CpX =CpB·MB·ΔTB MX·ΔTX (10) 式中:CpB,CpX 分別為標準試樣和待測試樣的比熱 容,J/(kg·K);MB,MX 分別為標準試樣和待測試樣 的質量,g;ΔTB,ΔTX 分別為標準試樣和待測試樣 受激光輻照后溫度升高的最大值,℃。

2 試驗材料與方法

在 某 內 燃 機 鋁 合 金 活 塞 上 截 取 直 徑 為 12.75mm、厚度為1~3mm 的試樣,待測鋁合金活塞 試樣密度為2.769g/cm3。試驗前,在試樣表面噴涂 一層薄且均勻的石墨涂層,然后將其放入 NETZSCH LFA467HTHyperFlash型閃射法導熱儀樣品室。試 驗溫度分別為25,200,250,300,350,400 ℃,每個溫 度的激光閃射數為3個,參比標準試樣為石墨。

由式(9)可知,材料的熱擴散系數與試樣厚度的 平方成正比,測量出試樣厚度后,根據圖3所示的特 征信號曲線,確定試樣背面溫度達到最高溫度的一 半所需的時間。

3 試驗結果與分析

由表1和圖4可見:隨著溫度的升高,該鋁合金 活塞試樣的熱擴散系數逐漸減小,這是由于材料在受 熱升溫、非穩態導熱過程中,進入物體的熱量不斷被 吸收而使局部溫度升高,使溫度梯度減小,傳熱速率 降低;隨著溫度的升高,該鋁合金活塞試樣的比熱容 整體呈升高的趨勢,其導熱系數在一定溫度范圍內呈 逐漸升高的趨勢,導熱系數與溫度的關系比較復雜, 這是因為金屬材料的熱傳導主要是通過電子的運動, 溫度越高,電子運動越劇烈,導熱系數也越高。

在激光閃射法測量系統中待測試樣的比熱容是 通過比較法測量得出的,它的結果直接影響導熱系 數的準確性,可以通過增加閃射點數量,定期對設備 進行維護、保養與校準,或者使用差示掃描量熱法 (DSC)測 量 該 鋁 合 金 活 塞 的 比 熱 容 來 提 高 測 量 精度[2]。

4 結論

基于激光閃射法測量了某內燃機鋁合金活塞的 熱物性參數。隨著溫度的升高,該內燃機鋁合金活 塞的熱擴散系數逐漸減小,比熱容逐漸升高,導熱系 數在一定溫度范圍內呈逐漸增大的趨勢。

參考文獻: [1] 金玲,李紅俠,倪俊.激光閃射法對石墨烯薄膜導熱性 能的研究[J].能源研究與利用,2020(1):46-48. [2] 王洛,劉自民,饒磊,等.激光閃射法測量金屬試樣導 熱系數的不確定度評定的探討[J].安徽冶金科技職 業學院學報,2019,29(4):15-18.[3] 臧金鑫,邢清源,陳軍洲,等.800 MPa級超高強度鋁 合金的時效析出行為[J].材料工程,2021,49(4):71- 77. [4] 王文杰,許春光,王國瑩,等.鋁合金活塞低周材料性 能表征及壽命預測[J].車用發動機,2020(3):57-63. [5] 劉昊.鋁合金活塞加工仿真與切削參數優化研究[D]. 濟南:山東大學,2020. [6] 林雄萍,鐘 曉 龍,袁 嘉 隆,等.基 于 導 熱 特 性 分 析 的 S195柴油機活塞改進設計[J].集美大學學報(自然科 學版),2013,18(2):124-127. [7] 苗社強,周永勝.激光閃射法測量一種砂巖的高溫熱 擴散系數 和 熱 導 率 [J].礦 物 巖 石 地 球 化 學 通 報, 2017,36(3):450-454. [8] 葛山,尹玉成.激光閃光法測定耐火材料導熱系數的 原理與方法[J].理化檢驗(物理分冊),2008,44(2): 75-78,96. [9] 奚同庚.無機材料熱物性學[M].上海:上海科學技術 出版社,1981.

<文章來源>材料與測試網>