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        技術(shù)文章

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        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

        更新時間:2025-04-03點(diǎn)擊次數(shù):123

        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。


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