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)

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。

图1 激光闪射法测量系统示意

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]。

图2 激光闪射法的原理示意

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]。

(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0 mm)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。

(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。

(4)

当x=L时，试样背面的温度随时间的变化可用式(5)表示。

(5)

引入两个无量纲参数V和ω，如式(6)和式(7)所示。

(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)。

(8)

当V=0.5，ω=1.38时，材料的热扩散系数可用式(9)表示。

(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，s。

1.3 比热容的计算原理

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。

(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12.75 mm、厚度为1～3 mm的试样，待测铝合金活塞试样密度为2.769 g/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 LFA467 HT HyperFlash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。

图3 特征信号曲线

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。

图4 铝合金活塞试样的3种热物性参数随温度的变化曲线

表1 铝合金活塞试样热物性参数的测量结果

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。