利用能量對比法測量高溫材料發(fā)射率

高溫材料在航空航天、能源轉(zhuǎn)換、紅外隱身及輻射測溫等諸多領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，而精確掌握其光譜發(fā)射率是實(shí)現(xiàn)熱輻射特性評估與控制的基礎(chǔ)。由于材料發(fā)射率并非物質(zhì)的本征屬性，而是與溫度、波長、表面狀態(tài)等因素密切相關(guān)，因此其測量在高溫條件下尤為復(fù)雜。本文聚焦于“能量對比法”在高溫材料光譜發(fā)射率測量中的原理、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及優(yōu)勢。

一、能量對比法原理概述

能量對比法是一種基于發(fā)射率定義的直接測量方法。具體而言，在相同的溫度、波長和視角條件下，測量待測材料與理想黑體的輻射能量，二者之比即為材料在該條件下的光譜發(fā)射率。其基本公式如下：

$$\epsilon (\lambda ,T)=\frac{L_{\text{sample}}(\lambda ,T)}{L_{\text{blackbody}}(\lambda ,T)}$$

其中$L_{\text{sample}}$和$L_{\text{blackbody}}$分別表示樣品與黑體在波長$\lambda$和溫度$T$條件下的輻射亮度。由于該方法無需對發(fā)射率模型進(jìn)行假設(shè)，具有理論清晰、準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前高溫發(fā)射率研究中的主流技術(shù)之一。

二、測量系統(tǒng)構(gòu)建與溫度范圍

研究人員構(gòu)建了一套基于能量對比法的高溫光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)涵蓋了從中溫段（473 K）至超高溫段（2373 K）的寬溫度范圍，并可覆蓋從近紅外到遠(yuǎn)紅外（0.8–27 μm）的波長區(qū)間。

系統(tǒng)采用獨(dú)立黑體作為標(biāo)準(zhǔn)輻射源，通過高精度溫控裝置實(shí)現(xiàn)樣品與黑體溫度的一致性。為確保測量光路的一致性，系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上采用對稱光路設(shè)計(jì)，并利用傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）結(jié)合多波段紅外探測器，實(shí)現(xiàn)寬光譜高分辨率的輻射能量采集。此外，還通過激光對準(zhǔn)和真空腔體設(shè)計(jì)，降低了背景輻射和信號干擾。

三、測量策略與樣品適配

為適應(yīng)寬溫區(qū)間內(nèi)不同材料的發(fā)射率測量需求，系統(tǒng)采用“分溫區(qū)測量策略”，在中溫區(qū)（473–1073 K）與高溫區(qū)（1073–2373 K）分別布設(shè)了不同的加熱裝置與控溫模塊。高溫段采用大功率直流電源加熱，樣品放置在高純鎢舟中，通過紅外高溫計(jì)與熱電偶聯(lián)合測溫，確保溫控精度達(dá) ±1 K。

通過與黑體腔的同位比輻射測量，可有效評估金屬（如鎢、鈦、鋁）與非金屬（如石墨）材料在高溫條件下的光譜發(fā)射率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)在2373 K的高溫條件下依然保持良好的測量穩(wěn)定性與重復(fù)性。

四、與其他方法的比較優(yōu)勢

相較于多波長法、量熱法和反射法，能量對比法具有如下突出優(yōu)勢：

• 原理簡潔，結(jié)果可直接溯源至黑體輻射定律，避免模型擬合誤差；

• 可適配多種材料形狀和高溫環(huán)境，適用性強(qiáng)；

• 測量精度高，綜合不確定度可控制在3.8%以內(nèi)；

• 支持高溫下的發(fā)射率測量，是少數(shù)能達(dá)到2000 K 以上準(zhǔn)確測量的手段。

然而，該法對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光路一致性、溫度一致性和設(shè)備穩(wěn)定性提出了較高要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試過程復(fù)雜。

能量對比法作為發(fā)射率測量領(lǐng)域的重要技術(shù)路徑，尤其在高溫條件下展現(xiàn)出的優(yōu)勢。其直接、精確、可擴(kuò)展的特點(diǎn)，使其成為新材料熱性能評估、熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與紅外材料開發(fā)中的核心支撐技術(shù)。隨著高性能紅外探測器與光譜分析系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，基于能量對比法的發(fā)射率測量體系將持續(xù)拓展其應(yīng)用邊界，并在高溫工程材料的研究與應(yīng)用中發(fā)揮更大作用。