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        2000℃高溫材料光譜發射率測量:?超高溫黑體+FTIR光譜儀

        更新時間:2025-06-11點擊次數:98

        利用能量對比法測量高溫材料發射率

        高溫材料在航空航天、能源轉換、紅外隱身及輻射測溫等諸多領域中發揮著關鍵作用,而精確掌握其光譜發射率是實現熱輻射特性評估與控制的基礎。由于材料發射率并非物質的本征屬性,而是與溫度、波長、表面狀態等因素密切相關,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"在高溫材料光譜發射率測量中的原理、系統實現及優勢。


        一、能量對比法原理概述


        能量對比法是一種基于發射率定義的直接測量方法。具體而言,在相同的溫度、波長和視角條件下,測量待測材料與理想黑體的輻射能量,二者之比即為材料在該條件下的光譜發射率。其基本公式如下:

        ε(λ,T)=Lsample(λ,T)Lblackbody(λ,T)

        其中LsampleLblackbody分別表示樣品與黑體在波長λ和溫度T條件下的輻射亮度。由于該方法無需對發射率模型進行假設,具有理論清晰、準確性高等優點,成為當前高溫發射率研究中的主流技術之一。


        二、測量系統構建與溫度范圍


        研究人員構建了一套基于能量對比法的高溫光譜發射率測量系統。該系統涵蓋了從中溫段(473 K)至超高溫段(2373 K)的寬溫度范圍,并可覆蓋從近紅外到遠紅外(0.8–27 μm)的波長區間。

        系統采用獨立黑體作為標準輻射源,通過高精度溫控裝置實現樣品與黑體溫度的一致性。為確保測量光路的一致性,系統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,實現寬光譜高分辨率的輻射能量采集。此外,還通過激光對準和真空腔體設計,降低了背景輻射和信號干擾。


        三、測量策略與樣品適配


        為適應寬溫區間內不同材料的發射率測量需求,系統采用“分溫區測量策略",在中溫區(473–1073 K)與高溫區(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,樣品放置在高純鎢舟中,通過紅外高溫計與熱電偶聯合測溫,確保溫控精度達 ±1 K。

        通過與黑體腔的同位比輻射測量,可有效評估金屬(如鎢、鈦、鋁)與非金屬(如石墨)材料在高溫條件下的光譜發射率。實驗結果顯示,該系統在2373 K的高溫條件下依然保持良好的測量穩定性與重復性。


        四、與其他方法的比較優勢


        相較于多波長法、量熱法和反射法,能量對比法具有如下突出優勢:

        • 原理簡潔,結果可直接溯源至黑體輻射定律,避免模型擬合誤差;

        • 可適配多種材料形狀和高溫環境,適用性強;

        • 測量精度高,綜合不確定度可控制在3.8%以內;

        • 支持高溫下的發射率測量,是少數能達到2000 K 以上準確測量的手段。

        然而,該法對實驗系統的光路一致性、溫度一致性和設備穩定性提出了較高要求,系統設計與調試過程復雜。


        能量對比法作為發射率測量領域的重要技術路徑,尤其在高溫條件下展現出的優勢。其直接、精確、可擴展的特點,使其成為新材料熱性能評估、熱控系統設計與紅外材料開發中的核心支撐技術。隨著高性能紅外探測器與光譜分析系統的進一步發展,基于能量對比法的發射率測量體系將持續拓展其應用邊界,并在高溫工程材料的研究與應用中發揮更大作用。




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