高溫狀態(tài)下材料法向發(fā)射率測量裝置的研發(fā)與應(yīng)用

摘要 

隨著高超聲速飛行器、航天發(fā)動機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，材料在高溫環(huán)境下的紅外輻射特性成為熱防護(hù)設(shè)計(jì)與性能評估的關(guān)鍵參數(shù)。本文介紹了一種新型高溫材料法向光譜發(fā)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(tǒng)設(shè)備在中低溫段的限制，為超高溫材料的研發(fā)與應(yīng)用提供了重要技術(shù)支撐。

 一、高溫發(fā)射率測量的技術(shù)挑戰(zhàn)與需求 

材料發(fā)射率是表征其表面紅外輻射能力的核心參數(shù)，直接影響飛行器蒙皮的紅外隱身性能、發(fā)動機(jī)熱端部件的散熱效率等。現(xiàn)有測量裝置（如西安應(yīng)用光學(xué)研究所的1 000 ℃系統(tǒng)）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(dá)2 000 ℃以上，傳統(tǒng)裝置無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)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(dǎo)致測量不確定度超過10%。 

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

 二、測量裝置設(shè)計(jì)與核心技術(shù)突破 

本裝置通過集成創(chuàng)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高溫環(huán)境下的高精度發(fā)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(xué)成像與分光系統(tǒng)等模塊。

 1. 高溫黑體與樣品加熱系統(tǒng) 

- 黑體輻射基準(zhǔn)：采用石墨腔體結(jié)構(gòu)的高溫黑體（3 100 K），基于普朗克定律復(fù)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)光譜輻射亮度，發(fā)射率模擬精度達(dá)0.99。 

- 動態(tài)石墨坩堝加熱爐：通過可移動石墨坩堝設(shè)計(jì)，結(jié)合熱導(dǎo)率優(yōu)化與幾何屏蔽，將腔體效應(yīng)引起的輻射干擾降低至傳統(tǒng)系統(tǒng)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(xué)成像系統(tǒng) 

- 雙模態(tài)溫控光闌：采用液冷循環(huán)與自適應(yīng)熱補(bǔ)償算法，使光闌表面溫度波動控制在±0.5 K以內(nèi)，有效抑制環(huán)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(zhuǎn)反射鏡，實(shí)現(xiàn)黑體與樣品輻射信號的無畸變成像，空間分辨率優(yōu)于0.1 mm。

 3. 多光譜分光與探測技術(shù) 

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

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

 三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與性能分析 

通過SiC陶瓷與低發(fā)射率涂層兩類典型材料的測試，驗(yàn)證了裝置的高溫性能： 

1. SiC材料在2 000 K下的發(fā)射率：測得3.5 μm波段發(fā)射率ε=0.85±0.03，與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)偏差小于2%。 

2. 低發(fā)射率涂層的梯度表征：針對YSZ/Al熱障涂層，在1 500 K時實(shí)現(xiàn)ε=0.25±0.01，證明系統(tǒng)對復(fù)雜涂層結(jié)構(gòu)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(xiàng)不確定度來源，最終相對擴(kuò)展不確定度為3.6%（k=2），較現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)提升40%。

 四、工程應(yīng)用與未來展望 

該裝置已成功應(yīng)用于某型超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室材料的發(fā)射率數(shù)據(jù)庫構(gòu)建，指導(dǎo)熱防護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，輻射散熱效率提升18%。未來研究方向包括： 

1. 真空環(huán)境集成：通過真空腔體設(shè)計(jì)進(jìn)一步擴(kuò)展溫度上限至3 500 K，支持超高溫陶瓷測試。 

2. 動態(tài)過程測量：開發(fā)瞬態(tài)加熱模式下的發(fā)射率實(shí)時監(jiān)測功能，滿足材料熱沖擊試驗(yàn)需求。 

3. 智能化升級：引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法優(yōu)化光譜反演模型，提升復(fù)雜表面（如粗糙度、氧化層）的測量精度。

結(jié)論 

本文研發(fā)的高溫材料法向發(fā)射率測量裝置，通過動態(tài)石墨坩堝、雙模態(tài)溫控光闌及多光譜協(xié)同探測等技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了3 100 K以下材料發(fā)射率的高精度測量，彌補(bǔ)了嚴(yán)苛溫度環(huán)境下的技術(shù)空白。其應(yīng)用將加速新一代耐高溫材料的研發(fā)進(jìn)程，為航空航天、國防工業(yè)等領(lǐng)域提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。