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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宣講活動、能源轉換擴大公共數據、紅外隱身及輻射測溫等諸多領域中發(fā)揮著關鍵作用,而精確掌握其光譜發(fā)射率是實現(xiàn)熱輻射特性評估與控制的基礎。由于材料發(fā)射率并非物質的本征屬性,而是與溫度、波長、表面狀態(tài)等因素密切相關,因此其測量在高溫條件下尤為復雜。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)實現(xiàn)及優(yōu)勢銘記囑托。
能量對比法是一種基于發(fā)射率定義的直接測量方法。具體而言充分發揮,在相同的溫度與時俱進、波長和視角條件下,測量待測材料與理想黑體的輻射能量解決方案,二者之比即為材料在該條件下的光譜發(fā)射率更優質。其基本公式如下:
其中和分別表示樣品與黑體在波長和溫度條件下的輻射亮度。由于該方法無需對發(fā)射率模型進行假設初步建立,具有理論清晰項目、準確性高等優(yōu)點,成為當前高溫發(fā)射率研究中的主流技術之一重要方式。
研究人員構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)的寬溫度范圍增產,并可覆蓋從近紅外到遠紅外(0.8–27 μm)的波長區(qū)間脫穎而出。
系統(tǒng)采用獨立黑體作為標準輻射源,通過高精度溫控裝置實現(xiàn)樣品與黑體溫度的一致性的方法。為確保測量光路的一致性積極影響,系統(tǒng)在結構上采用對稱光路設計,并利用傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)結合多波段紅外探測器資料,實現(xiàn)寬光譜高分辨率的輻射能量采集自動化。此外,還通過激光對準和真空腔體設計集成,降低了背景輻射和信號干擾。
為適應寬溫區(qū)間內不同材料的發(fā)射率測量需求,系統(tǒng)采用“分溫區(qū)測量策略"重要手段,在中溫區(qū)(473–1073 K)與高溫區(qū)(1073–2373 K)分別布設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橫向協同,樣品放置在高純鎢舟中不折不扣,通過紅外高溫計與熱電偶聯(lián)合測溫,確保溫控精度達 ±1 K穩定性。
通過與黑體腔的同位比輻射測量最深厚的底氣,可有效評估金屬(如鎢、鈦資源優勢、鋁)與非金屬(如石墨)材料在高溫條件下的光譜發(fā)射率應用擴展。實驗結果顯示,該系統(tǒng)在2373 K的高溫條件下依然保持良好的測量穩(wěn)定性與重復性能力。
相較于多波長法、量熱法和反射法長足發展,能量對比法具有如下突出優(yōu)勢:
原理簡潔紮實做,結果可直接溯源至黑體輻射定律,避免模型擬合誤差規模設備;
可適配多種材料形狀和高溫環(huán)境支撐作用,適用性強;
測量精度高至關重要,綜合不確定度可控制在3.8%以內認為;
支持高溫下的發(fā)射率測量,是少數(shù)能達到2000 K 以上準確測量的手段效率。
然而良好,該法對實驗系統(tǒng)的光路一致性、溫度一致性和設備穩(wěn)定性提出了較高要求增強,系統(tǒng)設計與調試過程復雜倍增效應。
能量對比法作為發(fā)射率測量領域的重要技術路徑,尤其在高溫條件下展現(xiàn)出的優(yōu)勢戰略布局。其直接重要意義、精確、可擴展的特點講道理,使其成為新材料熱性能評估引領、熱控系統(tǒng)設計與紅外材料開發(fā)中的核心支撐技術。隨著高性能紅外探測器與光譜分析系統(tǒng)的進一步發(fā)展更加廣闊,基于能量對比法的發(fā)射率測量體系將持續(xù)拓展其應用邊界優化服務策略,并在高溫工程材料的研究與應用中發(fā)揮更大作用。