高溫狀態下材料法向發射率測量裝置的研發與應用

摘要 

隨著高超聲速飛行器、航天發動機等技術的發展，材料在高溫環境下的紅外輻射特性成為熱防護設計與性能評估的關鍵參數。本文介紹了一種新型高溫材料法向光譜發射率測量裝置，其溫度范圍覆蓋1 273 K～3 100 K（1 000 ℃～2 827 ℃），突破了傳統設備在中低溫段的限制，為超高溫材料的研發與應用提供了重要技術支撐。

 一、高溫發射率測量的技術挑戰與需求 

材料發射率是表征其表面紅外輻射能力的核心參數，直接影響飛行器蒙皮的紅外隱身性能、發動機熱端部件的散熱效率等。現有測量裝置（如西安應用光學研究所的1 000 ℃系統）多聚焦于中低溫段（-60 ℃～1 000 ℃），難以滿足以下需求： 

1. 溫度覆蓋：高超聲速飛行器表面溫度可達2 000 ℃以上，傳統裝置無法實現穩定測量。 

2. 精度要求提升：高溫下腔體輻射干擾、背景噪聲等因素顯著增加，導致測量不確定度超過10%。 

3. 多光譜協同分析：材料在不同波段（如近紅外與中長波紅外）的發射率差異顯著，需寬譜段探測能力。

 二、測量裝置設計與核心技術突破 

本裝置通過集成創新技術，實現了高溫環境下的高精度發射率測量，其核心組成如圖1所示，包括高溫黑體、樣品加熱爐、控溫光闌、光學成像與分光系統等模塊。

 1. 高溫黑體與樣品加熱系統 

- 黑體輻射基準：采用石墨腔體結構的高溫黑體（3 100 K），基于普朗克定律復現標準光譜輻射亮度，發射率模擬精度達0.99。 

- 動態石墨坩堝加熱爐：通過可移動石墨坩堝設計，結合熱導率優化與幾何屏蔽，將腔體效應引起的輻射干擾降低至傳統系統的50%以下，確保樣品表面輻射信號的純凈性。

 2. 控溫光闌與光學成像系統 

- 雙模態溫控光闌：采用液冷循環與自適應熱補償算法，使光闌表面溫度波動控制在±0.5 K以內，有效抑制環境背景輻射。 

- 離軸拋物鏡成像：通過高精度離軸拋物鏡組與電控旋轉反射鏡，實現黑體與樣品輻射信號的無畸變成像，空間分辨率優于0.1 mm。

 3. 多光譜分光與探測技術 

- 光柵分光模塊：覆蓋0.9～12 μm譜段，光譜分辨率達4 nm（@1.5 μm）。 

- 雙探測器協同：InGaAs探測器（0.9～1.7 μm）與MCT探測器（2～12 μm）聯合工作，結合三階鎖相放大技術，信噪比提升至90 dB，顯著提高弱信號捕獲能力。

 三、實驗驗證與性能分析 

通過SiC陶瓷與低發射率涂層兩類典型材料的測試，驗證了裝置的高溫性能： 

1. SiC材料在2 000 K下的發射率：測得3.5 μm波段發射率ε=0.85±0.03，與文獻數據偏差小于2%。 

2. 低發射率涂層的梯度表征：針對YSZ/Al熱障涂層，在1 500 K時實現ε=0.25±0.01，證明系統對復雜涂層結構的解析能力。 

3. 不確定度評定：通過蒙特卡洛法分析溫度波動、光闌控溫誤差等11項不確定度來源，最終相對擴展不確定度為3.6%（k=2），較現有標準提升40%。

 四、工程應用與未來展望 

該裝置已成功應用于某型超燃沖壓發動機燃燒室材料的發射率數據庫構建，指導熱防護系統優化設計后，輻射散熱效率提升18%。未來研究方向包括： 

1. 真空環境集成：通過真空腔體設計進一步擴展溫度上限至3 500 K，支持超高溫陶瓷測試。 

2. 動態過程測量：開發瞬態加熱模式下的發射率實時監測功能，滿足材料熱沖擊試驗需求。 

3. 智能化升級：引入機器學習算法優化光譜反演模型，提升復雜表面（如粗糙度、氧化層）的測量精度。

結論 

本文研發的高溫材料法向發射率測量裝置，通過動態石墨坩堝、雙模態溫控光闌及多光譜協同探測等技術創新，實現了3 100 K以下材料發射率的高精度測量，彌補了嚴苛溫度環境下的技術空白。其應用將加速新一代耐高溫材料的研發進程，為航空航天、國防工業等領域提供關鍵數據支撐。