高溫光譜發(fā)射率表征新裝置在航天熱防護材料中的實驗應(yīng)用研究

——以ISiComp®陶瓷基復(fù)合材料為例

一、研究背景與目的

隨著可重復(fù)使用航天器技術(shù)的發(fā)展各有優勢，熱防護系統(tǒng)（Thermal Protection System, TPS）材料在大氣層再入過程中的熱管理能力日益受到關(guān)注規劃。光譜發(fā)射率（ε）作為決定材料輻射散熱能力的核心熱物性參數(shù)，直接影響TPS的熱響應(yīng)特性與測溫手段的精度高效化，特別是在采用雙色輻射測溫法（Dual-color Pyrometry）等非接觸溫度監(jiān)測技術(shù)中更是關(guān)鍵變量大大提高。

為應(yīng)對高溫、復(fù)雜輻射環(huán)境下TPS材料發(fā)射率測試的技術(shù)挑戰(zhàn)完成的事情，本文提出并驗證了一種新型實驗裝置調整推進，旨在對由意大利CIRA航天研究中心和PETROCERAMICS聯(lián)合開發(fā)的陶瓷基復(fù)合材料ISiComp®（碳纖維增強SiC基體）進行多波段、多溫區(qū)的高溫光譜發(fā)射率表征研究成果，填補現(xiàn)有測試手段在寬光譜精確測量方面的空白發展契機。

二、創(chuàng)新實驗裝置設(shè)計

本研究采用了一種集成式測量系統(tǒng)機製性梗阻，兼顧精度與光譜覆蓋齊全，突破了傳統(tǒng)單設(shè)備測溫在復(fù)雜場景下的局限。核心組成包括：

• 參考溫度基準：K型熱電偶（溫度范圍：-200–1100°C改造層面，精度：±0.0075T）機製，嵌入樣品內(nèi)側(cè)，實現(xiàn)內(nèi)部溫度測量性能穩定。

• 多光譜測溫設(shè)備：

• IMPAC IGAR-12LO 雙波長高溫計（1.52 μm & 1.64 μm）

•  紅外熱像儀：分別加裝藍寶石濾光片（2.10 μm）與NB2097濾光片（3.97 μm）

• 微測輻射相機：覆蓋7.5–14 μm長波紅外區(qū)

• 樣品配置：測試樣品為直徑12.7 mm試驗、厚度4 mm的圓柱體ISiComp®材料，分為SiC涂層與未涂層兩類數字化，分別進行兩輪升溫測試（450°C → 850°C）新格局。

此多設(shè)備協(xié)同的布置，在實驗室環(huán)境中實現(xiàn)了1.52 μm至14 μm范圍內(nèi)的連續(xù)發(fā)射率測量開展攻關合作。

三特點、關(guān)鍵測量方法與理論支撐

1. 溫度基準選擇與熱梯度驗證

由于熱電偶測量點位于樣品內(nèi)側(cè)，為確保其溫度可代表表面輻射溫度越來越重要，研究采用能量平衡模型對樣品厚度方向的熱梯度進行迭代計算切實把製度，綜合考慮導(dǎo)熱、對流與輻射熱通量改革創新。結(jié)果表明熱梯度小于1 K最新，熱電偶溫度可視為準確的參考溫度（T_tc）發揮重要作用，用于發(fā)射率計算。

2. 發(fā)射率求解策略

• 熱像儀采用“試錯法"（Trial-and-error）：通過調(diào)節(jié)熱像儀軟件中的材料發(fā)射率參數(shù)模樣，直至圖像中選定ROI的平均溫度與熱電偶一致取得顯著成效，反推出正確發(fā)射率。

• 雙色高溫計基于如下修正公式計算：

  $${?}_{\text{exp}}={?}_{\text{sc}}{\left(\frac{T_{tc}}{T_{\text{sc}}}\right)}^N$$

  其中$T_{tc}$為熱電偶溫度數據顯示，$T_{sc}$為儀器單波段測溫值責任，$N$為設(shè)備標定常數(shù)，考慮波長與探測靈敏度相關(guān)實現。

此方法確保不同設(shè)備間的測量互為驗證持續向好，實現(xiàn)了高溫多波段精確發(fā)射率獲取。

四、實驗結(jié)果與分析

1. 發(fā)射率特性

• 所有測試樣品在1.52–14 μm波段和450–850°C溫區(qū)內(nèi)均表現(xiàn)出高發(fā)射率特性（ε ≈ 0.80–0.98）不容忽視；

• 未涂層樣品的發(fā)射率略高于涂層樣品，尤其在高溫條件下（如850°C記得牢，未涂層 ε ≈ 0.94組建，涂層 ε ≈ 0.91）；

• 在450°C時服務體系，2.1 μm波段出現(xiàn)發(fā)射率尖峰（ε ≈ 0.99）進展情況，需分段建模處理。

2. 光譜擬合模型

• 450°C階段（1.52–2.1 μm）：發(fā)射率隨波長變化呈線性關(guān)系特點，R2 > 0.97稍有不慎；

• 其他溫度與波段：呈指數(shù)衰減關(guān)系，擬合方程 y = a - b·c^λ，R2 > 0.94的發生；

• 同一材料在不同加熱循環(huán)中表現(xiàn)出高度一致性，驗證了材料熱穩(wěn)定性與可重復(fù)使用性進一步完善。

五相結合、結(jié)論與應(yīng)用前景

1. 技術(shù)貢獻

本研究提出并驗證了一個基于多光譜同步采集+熱參考迭代修正的高溫發(fā)射率表征方法，具備如下特點：

• 覆蓋寬波段（1.5–14 μm）影響；

• 支持高溫測量（至850°C及以上）相關性；

• 可用于多種熱敏材料的非接觸表征；

• 適配當前航天輻射測溫需求製高點項目。

2. 材料應(yīng)用價值

測試結(jié)果表明ISiComp®具有**高發(fā)射率的必然要求、熱穩(wěn)定性強、適配雙色測溫條件（灰體假設(shè)近似成立）**等優(yōu)點物聯與互聯，適合用作ESA“Space Rider"航天器的再入熱防護材料狀況。

3. 后續(xù)研究方向

• 在CIRA的**Scirocco等離子體風洞（PWT）**中模擬真實再入環(huán)境，進一步驗證其性能；

• 利用CIRCE加速器進行碳離子注入業務，研究可調(diào)發(fā)射率材料在高溫輻射場（T ≤ 1500°C）中的行為，為未來TPS材料的設(shè)計與校準提供參考。

六完善好、技術(shù)擴展與理論意義

雙色輻射測溫技術(shù)雖具有快速促進進步、非接觸等優(yōu)點，但其依賴“灰體假設(shè)"（即兩個波長下的發(fā)射率近似相等）全過程。本研究通過測試證實ISiComp®為典型的“準灰體材料"更高要求，彌補了低發(fā)射率材料（如金屬基材料）因光譜劇烈變化導(dǎo)致測溫誤差大的問題，為雙色測溫在航天熱試驗中的工程應(yīng)用提供材料保障優勢領先。