摘 要

为使发动机能够高温高效稳定的运行，需在提高燃烧室的燃烧温度的同时，降低其他零件表面温度。活塞作为发动机的关键部件，其传热特性是研究发动机热效率的关键因素之一。在高温条件下，活塞将经历高温、高应力、热冲击、燃气腐蚀和粒子冲蚀作用，故对活塞热障涂层进行研究具有重要的科学意义与应用价值。

本研究采用氧化锆稳定氧化钇（YSZ）为主要成分，通过等离子喷涂法制备活塞热障涂层。室温下，本研究制备的热障涂层导热系数为2W·m^-1·K^-1。

本文采用格子-玻尔兹曼方法对发动机活塞热障涂层的导热特性进行研究，通过理论分析及计算，得出宏观条件下热障涂层瞬态与稳态的能量密度特性和稳态下各特征长度下能量密度特性，并分析得出活塞热障涂层的热导率随克努森数（声子平均自由程与特征长度的比值）的特性曲线，在克努森数在0.1~1时，出现明显的尺度效应。

本研究可为发动机活塞热障涂层的导热特性方面的研究提供一定的理论基础。

关键词：活塞；热障涂层；声子；能量密度；热导率

Abstract

In order to enable the engine to operate at high temperature and high efficiency, it is necessary to increase the surface temperature of other parts while increasing the combustion temperature of the combustion chamber. As a key component of the engine, the heat transfer characteristics of the piston are one of the key factors affecting the thermal efficiency of the engine. Under high temperature conditions, the piston will experience high temperature, high stress, thermal shock, gas corrosion and particle erosion. Therefore, research on piston thermal barrier coating has important scientific significance and application value.

In this study, zirconia stabilized yttrium oxide (YSZ) was used as the main component to prepare the piston thermal barrier coating by plasma spraying. The thermal conductivity of the thermal barrier coating prepared in this study was at normal temperature.

In this paper, the lattice-Boltzmann method is used to study the thermal conductivity of the engine piston thermal barrier coating. Through theoretical analysis and calculation, the energy density characteristics of the thermal barrier coating under transient conditions are obtained. The energy density characteristics of each characteristic length, and the characteristic curve of the thermal conductivity of the piston thermal barrier coating with the Knudsen number (the ratio of the phonon mean free path to the characteristic length) is analyzed. When the Knudsen number is at 0.1 to 1, there is a significant scale effect.

This study can provide a theoretical basis for the study of the thermal conductivity of engine piston thermal barrier coatings.

Key words: piston；thermal barrier coating；phonon；energy density；thermal conductivity

目 录

第1章 绪论 1

第2章 研究现状及基础理论 2

2.1 热障涂层研究现状 2

2.2 微纳尺度固体传热机理 4

2.2.1 经典理论 4

2.2.2 固体晶格振动 4

2.2.3 尺度效应 4

2.3 热障涂层 5

2.3.1 热障涂层材料及制备方法 5

2.3.2 热障涂层模型 6

2.3.3 热障涂层热物理性质 8

第3章 理论计算 9

3.1 理论假设 9

3.2 玻尔兹曼输运方程 9

3.3 计算方法 10

3.4 数值计算 11

3.5计算模型 11

第4章 热障涂层活塞稳态温度场测量 13

4.1 测温方法及原理 13

4.1.1 易熔合金测温法 13

4.1.2 硬度塞测温法 13

4.1.3接触式热电偶测温法 14

4.2 硬度塞测温法实验 14

4.2.1实验设备 14

4.2.2 实验过程 15

4.3 实验结果分析 15

第5章 有限单元法分析 16

5.1 有限单元法 16

5.2 计算软件介绍 16

5.2.1 ANSYS简介 16

5.2.2 ANSYS软件特点 16

5.3 有限单元法数值分析步骤 16

5.3.1 定义模型材料 16

5.3.2 建立模型 17

5.3.3 网格划分 17

5.3.4 设置边界条件并选择求解器 17

5.3.5 后处理分析 17

5.4 热障涂层传热特性分析计算 17

第6章 热障涂层传热特性分析 19

6.1 程序验证 19

6.2 声子弹道-扩散热输运 19

6.3 热障涂层热导率 20

第7章 结论 22

参考文献 23

附录 26

附录A 26

附录B 28

致 谢 29

第1章 绪论

热障涂层是一种应用于热机以提高其推力和热效率的隔热材料，是提高燃料的燃烧温度的高效涂覆材料，具有提高热机燃烧温度、降低基体温度、降低HC、CO等排放的多重作用。热障涂层材料的选择、模型的优化设计和其传热机理的研究均能对热机的工作效率、稳定性、使用寿命等重要特性及工程应用起到重要影响。

本研究采用的热障涂层由陶瓷层、功能梯度层和金属基底层组成，陶瓷层具有优良的隔热性能，功能梯度层能够有效解决陶瓷层与金属基底由于热膨胀系数不匹配而产生的热应力，金属基底由合金组成，能够承受燃气燃烧产生的高压。采用热障涂层能够有效改善发动机因机体过热而产生的不良影响。

近年来，相关学者针对热障涂层的材料选择一般为氧化钇稳定性氧化锆（YSZ），经过较长时间的实验研究表明，YSZ作为热障涂层材料具有优良的特性。Kamo将氮化硅的绝缘材料用作热障涂层覆盖在燃烧室部件的表面，在TBC应用于柴油发动机上进行了开创性的研究，通过实验得到热障涂层能使柴油机性能提升7%。姚志敏将纳米陶瓷热障涂层应用于天然气发动机活塞中，采用有限单元法进行传热数值分析，结果显示，涂覆热障涂层的发动机活塞顶部温度提高约44%，基体温度降低约12.34%，燃料消耗降低，热效率提高。李闯等人分别对钢活塞和硅铝合金活塞喷涂热障涂层材料，研究有无热障涂层活塞温度场的变化。结果表明，钢活塞和硅铝合金活塞表面最高温度分别提高31%和54%，基体最高温度分别下降27.55%和26.91%。

在进行热障涂层传热机理的研究中，研究者均采用了有限单元法进行研究，忽略了微纳尺度下固体材料特有的尺度效应，使其研究具有一定的局限性。本文提出以YSZ为材料设计制备功能梯度热障涂层，采用格子-玻尔兹曼方法对活塞在热稳态与热瞬态下进行数值模拟，分别计算处热障涂层的特征长度对其热导率、能量密度等特性的影响，并将格子-玻尔兹曼方法与有限单元法计算结果进行比较研究，得到适合本研究的有效方法，为发动机活塞热障涂层传热机理的研究工作提供理论基础。

第2章 研究现状及基础理论

2.1 热障涂层研究现状

热障涂层的材料主要为Al2O3 8YSZ、MgZrO3。（YSZ为氧化钇稳定氧化锆，YSZ前面的数字代表ZrO2中Y2O3的质量分数）8YSZ是经典且使用最广泛的热障涂层材料，在柴油机中能表现出良好的性能。YSZ涂层抗Na₂SO₄和V₂O₅腐蚀的性能比CaO或MgO稳定化的ZrO₂强。YSZ涂层的主要不足是在高温下，YSZ会发生从非相变的四方相到四方相与立方相到单斜相的转变，相变过程中，体积膨胀约3.5%并使涂层产生裂纹。此外，由于YSZ涂层中存在大量氧化穴，氧化锆涂层能够透过氧，氧离子容易透过YSZ涂层将金属基底氧化，生成热生长氧化物。