Page 39 - 理化检验-物理分册2022年第三期

张振威, 等: 基于激光闪射法测量某内燃机铝合金活塞的热物性参数

和模拟数字转换。数据记录装置能以不同速度记录 1 L 2 肀 -n παt
2 2
T ( x , t ) = T ( x , 0 ) dx + ∑ ex p L ·
一个脉冲周期内的数据, 可用于试样温度下降过程 L ∫ L n= 1 2
0
中的低分辨率数据记录, 也可用于试样温度上升之 nπx L nπx
cos L∫ T ( x , 0 ) cos dx ( 2 )
前和温度升高后的高分辨率数据记录。 0 L
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。

Q / C p g , 0<x <g

ρ
T ( x , 0 ) = 0 , ( 3 )
g <x <L
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。
肀
/
Q nπx sin ( nπ g L )
T ( x , 0 ) = 1+2 ∑ cos · ·

/
ρ C p L n=1 L nπ g L
2 2
-n π
L
ex p αt ( 4 )

2

当 x=L 时, 试样背面的温度随时间的变化可
图 1 激光闪射法测量系统示意
用式( 5 ) 表示。
激光闪射法是通过将试样放置于保护气氛的样 肀
2 2
Q n -n π
-1 ) ex p
1+2
品室中进行短时间激光辐照, 采用红外探测器检测 T ( L , t ) = ∑ ( L αt

2
ρ C p L n= 1
试样的温度, 其原理如图 2 所示, 由式( 1 ) 可以计算
( 5 )
出试样的导热系数 [ 7 ] 。
引入两个无量纲参数V 和ω , 如式( 6 ) 和式( 7 ) 所示。
ρ
λ= α· · C p ( 1 ) T ( L , t )
V ( L , t ) = ( 6 )
式中: λ 为导热系数, W /( m · K ); α 为 热 扩 散 系 数,
T max
2 / 3 为比热容, J /( k g K )。 2
·
ρ
m / s ; 为体积密度, k g m ; C p παt
ω= ( 7 )
L 2
为试样背面的最高温度, K 。
式中: T max
根据式( 5 ) 和式( 7 ), 可得式( 8 )。
肀
-1 ) ex p -nω ) ( 8 )
=
V ( L , t ) 1+2 ∑ ( n ( 2
n=1
当V=0.5 , ω=1.38 时, 材料的热扩散系数可用
式( 9 ) 表示。
图 2 激光闪射法的原理示意
L 2
1.2 热扩散系数的计算原理 α= 0.1388 ( 9 )
t 1 / 2
在用激光闪射法测量热扩散系数时, 设定以下
式中: t 1 / 2 表示试样背面 温 度 达 到 最 高 温 度 的 1 / 2
初始条件: 所需的时间, s 。
( 1 )激光脉冲的周期极短, 与试样背面温度达到 1.3 比热容的计算原理

最高温度的1 / 2所需的时间相比可以忽略不计; 激光闪射法可同时测量多个试样, 通过比较法
( 2 )热量只在垂直的一维方向上传播, 没有横 可得出待测试样的比热容。具体是将一个已知比热

向热传播且没有任何热损耗; 容的标准试样与待测试样同时放在多样品室内, 在

( 3 )光源的能量束斑任何一点的强度都相同, 相同的测试条件下进行试验, 通过能量平衡方程式
试样均匀不透光, 能量吸收发生在试样表面薄层内。 计算得出待测试样的比热容 [ 9 ] , 如式( 10 ) 所示。
在某一恒定温度下, 试样背面的温度随时间的 · ·
C p B M B ΔT B
C p X = ( 10 )
变化可通过式( 2 ) 计算得出 [ 8 ] 。 M X ΔT X
·
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