材料發射率檢測方法研究進展

曾 鳴 熊 磊 侯志全 陳映彤 田大勇 何 勃

1.廣州特種承壓設備檢測研究院；2.安陽工學院

1 引言

材料發射率是表征材料表面熱輻射本領的一個重要物理量，屬于熱物性參數，反映材料輻射能力的強弱[1]。在熱工、化工、集成電路、建筑、航空航天等領域都有著密切聯系[2]。在航空航天領域，為降低高速飛行器的溫度，在其表面涂覆隔熱涂料，以輻射方式降溫[3]。在工業領域，于熱工爐窯內涂覆高發射率涂料，可提高其加熱效率[4]。在生活領域，高發射率的反射隔熱涂料能降低房間的空調負荷，節約電能[5]。因此，材料發射率的測量技術越來越受到人們的重視。

材料發射率研究始于1941 年，經過近80 年的發展，已經發展了量熱法、能量法、反射法。研發人員根據各種測試方法進行了測量裝置的研發，但商品化少。本文根據國內外文獻總結了發射率測量技術的研究方法，分析了各方法的優缺點，并對今后進一步的發展方向提出了看法。

2 測量方法

材料的發射率不僅與材料的組分有關，還受多因素影響，如材料的表面狀態（粗糙度、涂層厚度等）、材料的測試溫度、波長及輻射方向等，發射率是多因素的多元函數。因此，根據不同的測量原理，一般可將測量方法分為量熱法、能量法、反射法。

2.1 量熱法[6-10]

量熱法的基本原理是：通過確定系統的熱交換狀態求出被測樣品的發射率。量熱法按熱流狀態可分為穩態量熱法和瞬態量熱法。

2.1.1 穩態量熱法

穩態法是指用電加熱方式為試樣提供連續穩定的加熱功率，使試樣加熱到指定的測量溫度，假設試樣的半球發射率等于半球吸收率，建立量熱方程，從而得出樣品的發射率。

早在1941 年，Worthing 提出了用燈絲加熱法測量材料的半球發射率。隨后，Brunotte 等人[6]采用此法研制了相應的半球發射率測試系統，測試溫度范圍為100℃～400℃，發射率的測量范圍為0.015～0.15。Difilippo 等人[7]也采用此法研制了一套測試裝置，既可測量半球發射率，也可測量光譜發射率，最高測試溫度為900K。Hameury 等人[8]采用保護熱板法的原理制作了一個加熱裝置，并將其置于真空冷黑體腔內對樣品進行加熱。Neuer等人[9]采用電子束加熱方式研制了一套可測量半球全向發射率和光譜發射率的測量裝置，測試溫度高達1600℃。目前，國際上相應的測試方法有：ASTM C835-06.

穩態量熱法由于需要在真空條件下進行測試，測試速度較慢，但測量不確定小，測試技術較為成熟并建立了相應的國際、國內軍工標準，通用性好，在實際應用中較為普遍，成為測量半球全向發射率材料技術的主流方法。由于此方法涉及航天航空技術領域，如熱控涂層的應用，因此形成了國際技術壁壘，測試設備沒有形成商業化。影響了測試技術的普及和應用。

2.1.2 瞬態量熱法

瞬態卡計法與穩態量熱法的最大不同點在于加熱的方式。瞬態卡計法采用瞬態加熱技術（如激光、電流等），使試樣的溫度急劇升高。

此方法測量裝置相對穩態法簡單，能在較短的時間內連續測量試樣在不同溫度條件下的發射率，測溫上限低（4000℃以上），且可同時測量多項參數，測量精度較高。但要求被測對象只能是導體材料，以保證在冷卻過程中試樣內部沒有溫度梯度。此外，采用瞬態卡計法需獲取材料在不同溫度下的比熱容，然而許多新型功能材料熱控材料的熱力學參數非常缺乏，這也限制了瞬態卡計法的應用。

目前，該方法的代表裝置是美國研發的偏振光反射計瞬態量熱測量裝置（DOAP），我國研發的積分球反射計脈沖加熱瞬態量熱測量裝置[10]。

2.2 能量法

能量法是一般采用能量比較法，即在等溫條件下，用同一探測器分別測量絕對黑體和樣品的輻射功率，其比值則為材料的發射率。

從20 世紀60 年代始，探測器從無波段選擇的絕對輻射計、熱電堆、分光光度計，到近年來廣泛采用的傅里葉紅外光譜法。90 年代，日本NMIJ 采用傅里葉紅外光譜法發射率測量裝置，光譜范圍為5μm～12μm，溫度范圍為-20℃～100℃，測量時間為10秒[11]。2004 年，戴景民等人的傅里葉紅外光譜法發射率測量裝置采用MCT和Si探測器，使光譜范圍擴展為0.6μm～25μm，采用石墨直接加熱技術，使溫度范圍擴展為60℃～1500℃，測量精度為3%。

2.3 反射法

反射法是利用能量守恒定理及基爾霍夫定律推算出材料的發射率。常用的反射計有熱腔反射計、積分球反射計等。

熱腔反射法是利用分光計分別測量腔壁和樣品的輻射能，兩者的比值為發射率。從20世紀60年代始，Dunkle 等人[12]建立了熱腔反射測量儀，該設備簡單，測試周期短，制樣簡便，測量范圍為1μm～15μm，但不適用于高溫測量。

積分球反射法測量裝置的關鍵部件是一個具有高反射率的漫射內表面積分球。此方法的代表為Righini等人[13]的研發的積分球反射法脈沖加熱測量裝置。積分球法測量的溫度范圍寬廣，上限可達1200℃，但測量精度較低，3%～5%。

激光偏振法于20世紀90年代，由Nordince等人提出，隨后，美國CRI 公司根據Kirchloff 定律研發了高速激光偏振儀半球光譜反射率測量儀，該儀器能測量光滑表面的棒狀試樣，測量精度為3%。

綜上所述，每種測量方法各有自己的優缺點，測量地對象也不一樣，如量熱法中的瞬態量熱法只能測量導體材料，穩態量熱法只能測量全波長的半球發射率；反射計法中的熱腔反射計法不適用于高溫測量，激光偏振法只能測量光滑表面的材料發射率。

3 測量儀器

3.1 穩態量熱計法測量儀

由于穩態量熱法測量不確定小，通用性好，在實際應用中較為普遍，成為測量半球全向發射率材料技術的主流方法。但此方法涉及航天航空技術領域，形成了國際技術壁壘，我國沒有民用穩態量熱計法半球發射率檢測裝置的定型產品。影響了測試技術的普及和應用。因此作者團隊根據《航天器熱控涂層試驗方法第3部分：發射率測試》（GJB 2502.3—2015）中“半球發射率穩態量熱計法”的測定方法和技術要求，分別研制真空罩、液氮盤管冷卻器、半球熱沉、控溫系統、測定數據采集和記錄系統，并將其集成我國首套民用“穩態量熱計法半球發射率”檢測裝置，可用于隔熱涂料的半球發射率測量，也可以用于散熱材料熱輻射的測量。可測試樣品在溫度范圍為0℃～300℃的半球發射率，測試精度為0.01。

3.2 能量輻射法測量儀

目前，主流的商品化發射率測量儀為美國Devices&Services Co.生產的輻射率測量儀，符合標準ASTM C 1371，通過加熱探測器內的熱電堆，使探測器和試樣之間產生溫差，溫差與試板的發射率呈線性關系，因此，可通過比較高低發射率標準版與試樣表面溫差的大小，測量出材料的發射率。該儀器便攜快捷，但只能測試樣品在室溫下的發射率，測試精度為0.01。

4 結語

隨著航天、軍事、國民經濟各領域的快速發展，材料發射率數據庫的需求及其測量技術研究的不斷深入，已逐步有測量裝置商品化，有從軍用轉回民用的測量裝置。

然而，由于目前所研究的測量裝置本身的一些局限性，需要加強對材料的發射率測量技術進行本質的研究，進一步開發測量裝置，如提高測量的溫度范圍，擴大測量的光譜范圍，提高測量裝置自動化程度，縮短測量時間。將來可望有更多的測量裝置商品化。