用穩(wěn)態(tài)卡計(jì)法對(duì)熱控材料半球發(fā)射率的測(cè)試研究

　　利用穩(wěn)態(tài)卡計(jì)法設(shè)計(jì)了一種測(cè)試材料半球發(fā)射率的試驗(yàn)裝置，并對(duì)其進(jìn)行了不確定度分析。使用該裝置對(duì)二次表面鏡（OSR）的室溫半球發(fā)射率進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果不確定度小于2.00％。同時(shí)，使用該裝置測(cè)試了OSR與一種新型相變材料在190～350K間的半球發(fā)射率。

1、引言

　　半球發(fā)射率是固體材料的一個(gè)重要物理性能參數(shù)，它體現(xiàn)了材料在特定溫度下相對(duì)黑體的輻射能力。材料半球發(fā)射率的測(cè)試方法包括卡計(jì)法和光學(xué)方法。其中卡計(jì)法又包括瞬態(tài)卡計(jì)法和穩(wěn)態(tài)卡計(jì)法。瞬態(tài)卡計(jì)法能在較短的時(shí)間內(nèi)連續(xù)測(cè)量樣品在不同溫度條件下的發(fā)射率，但在測(cè)試中要求樣品的導(dǎo)熱性好，以保證在冷卻過(guò)程中樣品內(nèi)部沒(méi)有溫度梯度。因而，用其測(cè)試低熱導(dǎo)率材料的半球發(fā)射率較為困難。此外，采用瞬態(tài)卡計(jì)法需獲取材料在不同溫度下的比熱容，然而許多新型的衛(wèi)星熱控材料的熱力學(xué)參數(shù)非常缺乏，這也限制了瞬態(tài)卡計(jì)法的應(yīng)用。而穩(wěn)態(tài)卡計(jì)法克服了測(cè)試過(guò)程對(duì)材料導(dǎo)熱系數(shù)與比熱容的苛刻要求，測(cè)試精度較高，測(cè)試溫區(qū)寬，應(yīng)用較為廣泛。為了測(cè)試材料在不同溫度條件下尤其是在低溫下的半球發(fā)射率，作者介紹了一臺(tái)基于穩(wěn)態(tài)卡計(jì)法的半球發(fā)射率測(cè)試裝置。利用該測(cè)試裝置的測(cè)試結(jié)果，可方便地計(jì)算出材料的半球發(fā)射率，測(cè)試與計(jì)算較簡(jiǎn)單。作者使用該裝置完成了對(duì)二次表面鏡（OSR）及一種新型相變熱控材料的半球發(fā)射率的測(cè)試。

2、測(cè)試原理

　　采用穩(wěn)態(tài)卡計(jì)法測(cè)量材料半球發(fā)射率。假設(shè)樣品的半球發(fā)射率εh等于半球吸收率，當(dāng)樣品溫度達(dá)到熱平衡時(shí)，有如下關(guān)系式

　　式中σ為斯蒂芬－波爾茲曼常數(shù)；As為樣品的表面積；Ts和Tw分別為樣品與測(cè)試室內(nèi)壁的溫度；Q為加熱器的加熱功率；Qw為樣品通過(guò)引線的熱損；Qg為測(cè)試室內(nèi)由殘余氣體引起的熱損；Qr為樣品與測(cè)試室內(nèi)壁多次反射樣品吸收的能量。

　　在測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試室內(nèi)維持高真空，且測(cè)試室內(nèi)表面積遠(yuǎn)大于樣品表面積，因而，Qg與Qr可以忽略不計(jì)；由于采用的加熱絲及引線直徑都較細(xì)，故可忽略引線的熱損Qw。通過(guò)測(cè)量加熱器的加熱功率Q、樣品溫度Ts 與測(cè)試室內(nèi)壁溫度Tw以及樣品的表面積As，采用公式（2）計(jì)算材料的半球發(fā)射率εh

3、試驗(yàn)裝置

　　測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由內(nèi)部裝有測(cè)試室的絕熱容器、真空系統(tǒng)、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字電壓表、樣品單元等組成。測(cè)試室內(nèi)壁尺寸為Φ250 mm×280mm，表面涂有一層亞光黑漆（εh≈0.90）。測(cè)試時(shí)在絕熱容器中添加制冷工質(zhì)。真空系統(tǒng)由旋片機(jī)械泵及油擴(kuò)散泵組成，真空度維持在1×10^-3Pa。樣品單元如圖2 所示，由兩片相同的樣品（40.0mm×40.0mm×0.5mm）和一個(gè)加熱片（40.0mm×40.0mm×0.2mm）組成。采用銅-康銅熱電偶測(cè)量樣品溫度，熱電偶與加熱絲的直徑均為0.16 mm。采用長(zhǎng)春電器儀表廠的WYJ 型直流穩(wěn)壓電源提供加熱電流。采用7071 型數(shù)字電壓表測(cè)量熱電偶熱電勢(shì)。

1.絕熱容器；2.測(cè)試室；3.樣品單元；4.穩(wěn)壓電源；5.數(shù)字電壓表；6.真空機(jī)組

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.加熱絲；2.熱電偶；3.樣品；4.加熱器

圖2 樣品單元示意圖

4、試驗(yàn)

　　使用該測(cè)試裝置測(cè)試了鈰玻璃二次表面反射鏡（OSR）和一種相變材料在不同溫度下的半球發(fā)射率。測(cè)試前先測(cè)量樣品的表面積并將熱電偶固定在樣品表面，然后將樣品單元裝入真空室，開(kāi)啟真空機(jī)組，當(dāng)真空度達(dá)到1×10^-3Pa 時(shí)，向絕熱容器中注入液氮。待內(nèi)腔體溫度穩(wěn)定時(shí)，開(kāi)始測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)。由公式（2）計(jì)算半球發(fā)射率，并將所計(jì)算數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)值進(jìn)行比對(duì)。

5、結(jié)果與討論

　　該測(cè)試裝置的不確定度主要來(lái)源于樣品尺寸測(cè)量、樣品溫度測(cè)量、真空環(huán)境溫度測(cè)量及加熱功率測(cè)量、引線熱損五方面。樣品采用不確定度為0.01 mm 的數(shù)顯卡尺測(cè)量，其不確定度小于0.05%；熱電偶的不確定度小于0.20%；引線熱損引起的不確定度小于1.00%；功率測(cè)量引起的不確定度小于1.00%。因而，總的測(cè)量不確定度小于2.50%。

　　該測(cè)試裝置所測(cè)量OSR 的室溫半球發(fā)射率與真空技術(shù)網(wǎng)上另文提供的值的比較如表1 所列�？梢钥闯�，該裝置的室溫測(cè)試值與文獻(xiàn)值間的誤差小于2.00%，該裝置能夠較為準(zhǔn)確的測(cè)量出材料的半球發(fā)射率。

表1 OSR的室溫測(cè)試值比較

　　表2 是使用該裝置對(duì)不同溫度下OSR 及一種相變材料的半球發(fā)射率測(cè)試值。由表2 可以看出，OSR 的發(fā)射率隨溫度升高逐漸減小，且在190～350 K 間變化較小，降幅為0.08；而相變材料的發(fā)射率隨溫度升高逐漸增加，且變化較為明顯，尤其是在230～270K間，增幅達(dá)到0.17，在整個(gè)測(cè)試溫區(qū)內(nèi)，半球發(fā)射率增幅超過(guò)60％。這主要是因?yàn)樵摬牧显诘蜏叵绿幱诮饘傧啵�表現(xiàn)出金屬的熱輻射特性，具有較低的發(fā)射率值，可減少熱輻射，保存熱量；溫度較高時(shí)，該材料表現(xiàn)出絕緣體的熱輻射特性，具有較高的發(fā)射率值，可增強(qiáng)輻射換熱，散失多余熱量。

表2 不同溫度下OSR與相變材料的半球發(fā)射率

6、結(jié)論

　　作者設(shè)計(jì)了一種測(cè)試材料半球發(fā)射率的試驗(yàn)裝置，并對(duì)該裝置的測(cè)試不確定度進(jìn)行了分析。測(cè)試結(jié)果表明，該裝置能夠較準(zhǔn)確地測(cè)試材料室溫下的半球發(fā)射率，測(cè)試不確定度小于2.00％。同時(shí)，利用該裝置也測(cè)試了OSR 及一種相變材料在190～350K間的半球發(fā)射率。OSR 的半球發(fā)射率隨溫度升高呈減小趨勢(shì)，且減小緩慢，為0.08；相變材料的半球發(fā)射率隨溫度升高而增大，在230～273 K 間增加明顯，且在整個(gè)測(cè)試溫區(qū)內(nèi)，其增幅超過(guò)60%，是一種較好的熱控材料。