材料发射率测量技术及其应用

　　1　引　言

　　各种物质表面的发射率(也称辐射率、黑度系数等)是表征物质表面辐射本领的物理量,是一项重要的热物性参数。在当代很多科学技术领域中有着重要的意义。例如在国防领域中,对导弹尾焰、蒙皮的辐射特性的认知,是军事预警、制导和隐身的关键。再如在遥感、遥测、辐射测温、红外加热、医学理疗等领域中也具有重要的应用价值。由于物体表面的发射率不是物质的本征参数,它不仅与物质组分有关,还与物体的表面条件(粗糙度)有关,而且还与物体的温度和考察的波长等因素有关。即发射率是以上诸多因素的多元函数。自上世纪30年代以来,随着热辐射理论和黑体空腔理论研究的进展,对材料发射率测量提出了各种各样的方法,并对各种物质的辐射特性作了大量的测定和研究。有关数据已经汇编成册供使用者查阅。

　　近年来,由于国防技术、材料技术及能源技术的快速发展,对发射率的测量提出了很高的要求。同时由于探测技术、计算机技术的发展,发射率测量技术也得到了长足的发展。本文在总结最近几年来的发射率测量技术研究现状、应用情况的同时,介绍了作者基于红外傅里叶光谱分析仪设计的光谱发射率测量系统。最后,展望了未来的发展趋势。

　　2　发射率测量技术综述

　　表面辐射特性的研究工作可以追溯到18世纪,早在1753年富兰克林就提出不同的物质具有不同的接受和发散热量能力的概念。几百年来人们在理论上、实验中和工程上做了大量的研究工作。特别是从上世纪50年代始,材料科学、空间技术、核能及计算机技术等许多重大科学技术发展的推动,这方面的研究得到了长足的发展和完善。材料的热辐射特性在不同波长及不同方向上是不相同的,因此一般按波长范围可分为光谱(或单色)及全波长发射率,按发射方向可分为方向、法向及半球发射率。

　　根据不同的测试原理,通常将发射率测量方法分为量热法、反射率法、辐射能量法和多波长测量法等。方法的分类如图1所示。

　　2.1　量热法[1~5]

　　量热法按热流状态可分为稳态法及瞬态法。其基本原理是:被测样品与其周围相关物体共同组成一个热交换系统,根据传热理论导出系统有关材料发射率的传热方程,再测出样品有关点的温度值,就能确定系统的热交换状态,从而求出样品发射率。热交换系统也可分为稳态系统和瞬态系统两大类。

　　2.1.1　稳态量热法

　　Worthing于1941年就提出了测量全长波长半球发射率的最为简便的稳态量热法———灯丝加热法。Richmond(1960)、Howl(1962)及Cezairliyan(1970)等也采用了类似方法。直到近年来,仍然有人采用该方法测量材料的发射率。在装置精密、且经过仔细调试后,该方法的测量总精度可达2%。该方法的温度测试范围较宽(-50℃~1 000℃),但只能测试全波长半球发射率,不能测量光谱或定向发射率。此外,样品制作麻烦、测试时间长。但由于装置简单、测试温度范围较宽、准确度高等优点而得到广泛使用。