红外材料光谱发射率与半球发射率测量方法研究

针对红外材料表面发射率准确测量的迫切需求,在实验室常温环境下,分别利用搭载积分球附件的光谱测量设备与便携式发射率测量仪,对样品材料表面的定向光谱发射率和半球全发射率进行了测量,并对结果进行转化。通过两种测量方法的对比研究,表明红外材料的光谱发射率与半球发射率测量结果具有一致性,验证了所述测量方法的有效性,为红外材料表面发射率参数的测量提供了参考。

黑体涂层宽温区红外光谱发射率特性研究(内封面文章)

为了研究高发射率黑体涂层的宽温区红外辐射特性,基于两种发射率测量装置测量了应用于不同温度场景的JSC-3和GR两种涂层宽温区3~14μm内的光谱发射率。其中JSC-3和GR涂层的测量温度范围分别是室温~1000℃和室温~150℃。分析了两种涂层光谱发射率与温度之间的关系以及不同角度下方向光谱发射率的变化。实验结果表明:宽温区内JSC-3和GR涂层在8~14μm的光谱发射率分别优于0.96和0.97,且光谱发射率保持稳定,变化量分别小于0.01和0.003。两种涂层在0°~30°内的方向光谱发射率均具有较好的一致性,变化量均小于0.005。最后利用积分球反射法得到了两种涂层在室温下3~14μm内的连续光谱发射率数据,实现了两种涂层在宽温区宽波段内的光谱发射率数据覆盖。

18CrNiMo7-6钢发射率值标定及外圆磨削温度研究

为研究齿轮钢外圆横向磨削过程中工件温度受加工参数变化的影响,以18CrNiMo7-6齿轮钢作为工件材料,CBN砂轮作为磨具进行试验,使用红外热像仪对磨削过程温度进行检测。提出一种增设气幕装置的热辐射发射率值标定方案,通过气幕生成的高速气流减缓外界空气进入加热炉,防止标定过程中试样被氧化,保证高温条件下标定得到的发射率值的准确度;依据检测结果,分析工件转速v_(w)、工件每转的磨削深度f_(a)、砂轮磨粒粒度d_(g)、砂轮直径d_(s)和磨削宽度b对温度的影响。结果表明:f_(a)对温度变化影响最显著。通过拟合得到磨削温度与试验参数间的经验公式,其误差为9.27%。将磨削温度的试验测量结果与运用移动热源理论、瑞利分布模型和干式磨削热分配比模型进行理论推导的结果作对比,偏差为8.51%。

核用锆合金管氧化过程中光谱发射率特性研究

发射率在锆合金管非接触测温的准确性和失水事故情况下的传热分析上具有重要意义。本文采集了SZA4、SZA6和ZIRLO 3种锆合金在400,500,600℃下氧化100min过程中4~12μm内的光谱发射率数据,分析了温度、氧化膜厚度和合金组分对材料光谱发射率特性的影响规律。结果表明,3种锆合金在氧化过程中发射率变化趋势基本相同,但组分差异导致在发射率的数值和振荡特性上略有差别。通过建立薄膜干涉模型,解释了光谱发射率在波长方向上的振荡现象,并结合振荡极值与干涉效应原理计算了合金表面氧化膜厚度,在0.6~8μm范围内测量精度达到±0.3μm。

二氧化钒发射率的调控方法与实践

二氧化钒(VO_(2))是一种常用的相变材料,它能在68℃附近可逆地改变光学、电学特性以响应外部温度刺激。自20世纪90年代以来,人们对VO_(2)光学特性进行了广泛的研究,并在紫外、可见和近红外区域的调制方面取得了重大进展,而室温黑体辐射所处的中远红外区能量只相当于太阳辐射的15%,因而获得的关注较少。然而随着研究的深入,研究者发现中远红外光区的长波辐射对热调控也具有至关重要的作用,甚至在太阳辐射较强的白天也是不容忽视的,因此有关VO_(2)发射率调控的研究受到越来越多的关注。文章聚焦VO2发射率调控的最新研究进展,着重介绍VO_(2)发射率的调控手段以及常温热辐射调控性能,并对其应用前景进行了展望。文章指出,VO_(2)发射率可以有效调控室温黑体辐射能量,通过新型结构如Fabry-Pérot谐振腔、超材料等与VO_(2)的有机结合,极大丰富了VO_(2)发射率的调控手段,展现出显著的调控效果,这对于实现具有更高节能效率的智能建筑、空间热管理以及红外伪装具有很大的潜力。

一种利用自适应发射率模型补偿搅拌摩擦焊温度场的方法

针对目前搅拌摩擦焊温度场研究大多忽略热辐射作用或者采用固定发射率模型导致误差较大的问题,提出一种考虑粗糙表面的铝合金氧化膜生长过程的自适应发射率模型,对焊接温度场进行补偿研究。首先,考虑到搅拌摩擦焊过程中铝合金表面形貌的动态变化,采用二次曲面响应法确定焊接表面粗糙度及其与平均线单位长度平均值的交点数;随后,基于提出的自适应发射率,建立6061铝合金搅拌摩擦焊过程的完全耦合有限元模型进行数值模拟,并对模拟结果进行分析。结果表明:不同焊接条件下,基于自适应发射率模型所得结果与实验结果之间的最大绝对误差仅为11 K,表明采用自适应发射率的数值模型能够较好地再现焊接过程中的温度场,可为提高搅拌摩擦焊焊接质量提供支持。

M8激光雷达回波的非接触式发射率三维分布测量方法

针对目前发射率测量方法只是对某一单一物质进行接触式测量,难以获得复杂目标的发射率三维分布问题,提出一种基于M8激光雷达回波的非接触式发射率三维分布测量方法。首先基于激光雷达传输距离方程分析回波强度特性,通过M8激光雷达对95%标准漫反射板进行扫描,叠加多帧单线点云,得到具有反射光谱特性的雷达强度三维点云像;运用分段多项式模型拟合距离-强度及入射角-强度之间的关系,基于得到的分段多项式模型校正距离和入射角度影响下的回波强度,使不同距离与入射角情况下所测回波强度能够真实地反映目标的反射光谱特性,校正结果显示,标准漫反射板回波强度变异系数分别从0.2676和0.3438降低到了0.0420和0.0412,回波强度一致性分别提高了84.31%和88.02%,使雷达所测得强度值能直接反映目标材料的反射光谱特性,验证了强度校正模型的有效性;最后基于得到的分段多项式校正模型对带有反射率真值贴片的缩比卫星模型雷达强度三维点云像进行强度校正,利用校正后的回波强度的反射光谱特性,计算出目标表面的反射率,运用反射法进一步推导其发射率,得到缩比卫星模型发射率的三维分布,三组卫星模型表面贴片的发射率平均偏差均分别能控制在3.33%、4.84%和4.44%。为目标识别、低空可探测技术等提供技术支持。

基于匹配法的不同种类煤和矸石发射率测量研究

煤和矸石的种类、表面纹理结构、变质和发育程度等因素都会对其发射率产生较为显著的影响,精准的发射率参数设置对红外热像仪测温及煤和矸石红外图像的识别至关重要。提出了一种基于匹配法的煤和矸石发射率测量方法,即采用表面热电偶与红外热像仪相结合的方式测量煤和矸石发射率。用密闭的电热炉对被测煤和矸石进行均匀加热,待被测煤和矸石均匀受热且稳定后,用表面热电偶对被测煤和矸石的选定区域进行真实温度测定(标定为t1),然后用红外热像仪对同一区域进行温度测定(标定为t2),最后对红外热像仪的发射率进行调试,当t2=t1时,得出的发射率即为被测煤和矸石在该温度下的真实发射率。实验结果表明:(1)等温条件下,煤和矸石表面越粗糙,其发射率数值越大,表明煤和矸石表面的粗糙度是导致二者产生不同发射率的内在因素。(2)4种不同种类煤和矸石发射率随温度的增大呈幂函数降低,且拟合函数相关系数R2达0.98以上,验证了匹配法应用于煤和矸石发射率测量的可行性。(3)采用反代法得出在不同温度条件下实测值与理论值的误差率均小于3%,验证了实验中测量的煤和矸石发射率的准确性。

褐土色低红外发射率涂层的制备及性能研究

以环氧树脂为黏合剂,片状Cu粉为功能颜料,石墨烯和邻苯二甲酸二辛酯(DOP)为界面结构改性剂,制备得到了一种具有良好综合性能的褐土色低红外发射率涂层。系统研究了片状Cu粉添加量(质量分数)、石墨烯添加量(质量分数)及DOP添加量(质量分数)对涂层微结构、发射率、光泽度及力学性能的影响规律。结果表明:合适的片状Cu粉添加量可以构建出表面结构规整、颜料分散均匀、片状Cu粉定向与涂层表面平行的微观结构,从而使涂层实现较低的发射率性能。石墨烯改性可提高涂层的致密度,减少由树脂填充的空隙,从而可进一步降低涂层的发射率。黑色石墨烯改性可明显强化涂层对可见光的吸收作用,从而降低涂层的光泽度。另外,利用石墨烯固有的高强度及高韧性特点,可改善涂层的柔韧性和耐冲击强度。DOP可通过减弱环氧树脂分子间作用力和增强分子链的移动性来提高涂层的塑性和韧性,从而可明显改善涂层的柔韧性和耐冲击强度。当涂层中片状Cu粉、石墨烯和DOP的添加量分别为40%、8%和7%时,所制备的褐土色涂层具有最佳的发射率(0.222)、光泽度(20.4)、附着力(1级)、柔韧性(2mm)及耐冲击强度(50kg·cm)性能。

半球向全发射率测量实验教学系统设计与开发

针对传统半球向全发射率测量教学实验装置测试精度不高、温度量程低的问题,该文基于稳态量热方法设计了高温半球向全发射率测量实验教学系统,进行了样品测试区域热量损失的校准,该系统具有方法原理简单、测试精度高等特点。通过测量获得不同温度下的材料半球向全发射率,便于同学们理解半球向全发射率与材料热辐射能力的相关性、光谱发射率与不同温度下的半球向全发射率的关联关系,实验测试结果可靠,满足热工系列课程研究型实验教学的需求。

低红外发射率控温热红外伪装材料的制备与性能

目前,仅从阻隔目标热量散发或降低表面红外发射率单方面入手很难达到理想的热红外伪装效果。针对这一问题,通过在聚丙烯腈静电纺丝液中混合相变材料聚乙二醇和性价比较高的铁纳米粒子,采用静电纺丝技术制备了一种外表面具有低红外发射率、底层具有控温功能的复合纤维膜材料,分析了复合纤维膜的表观形貌、化学及物相结构、热学性能、红外发射率和控温性能,研究了复合材料的红外隐身性能。结果表明:当聚乙二醇4000和聚乙二醇1000投料比不同时,可得到相变温度在31.5~40.9℃之间的系列相变纤维膜;复合纤维膜的红外发射率最低为0.69,在55℃热台上能够产生12℃的表面温度差,最大可产生22.4℃的辐射温度差,与环境温度相比最低具有1.9℃的辐射温度差,使目标在红外热成像中与环境辐射颜色一致。

基于发射率修正模型的红外测温补偿方法

红外测温由于受到被测物体表面发射率的影响,温度测量结果存在一定误差。通过分析表面粗糙度对表面红外发射率的影响,提出一种基于发射率修正模型的红外测温补偿方法。首先,基于红外测温原理,建立针对表面粗糙度修正的红外测温补偿算法;其次,为确定红外测温补偿方法中表面发射率修正,通过双尺度粗糙表面建立粗糙表面发射率修正模型;最后,为验证提出红外测温补偿方法的可行性,在搅拌摩擦焊焊缝红外测温实验中对比了补偿算法前后测量结果,结果表明:红外测温最大误差由2.783℃降低为1.058℃,平均测量误差由1.683℃降低为0.649℃,验证了所提出的红外测温补偿方法可以提高红外测温精度。

低发射率兼低光泽颜填料Al-Sr10的制备及其消光机理研究

为了探究Al-Sr10具有低光泽属性的本质,对该材料进行X射线衍射、X射线能量色散谱、面扫元素分析、8~14μm红外发射率、光泽度及400~760 nm可见光反射率测试。并采用高能球磨法制备该颜填料,通过扫描电子显微镜等手段探究Al-Sr10颜填料的组分、形态和光学性能随球磨时间的变化。结果表明,Al-Sr10表面易氧化形成灰黑色氧化锶,以及固溶体中的锶元素产生等离激元效应共同作用导致材料消光;Al-Sr10颜填料的物相不会随球磨时间变化,在一定时间内,材料的片状化程度、发射率和光泽度性能随时间的延长得到改善,其中球磨15 h后的颜填料其片状化程度高,发射率低至0.123,光泽度低至3.8。

空腔效应对集成黑体高温发射率测量影响规律研究

提出集成黑体法中的非等温边界空腔效应修正因子的理论模型。基于有限元思想,开展不同发射率样品、特定温场下的非等温边界空腔效应修正因子理论计算,与基于蒙特卡洛光线追迹法获得的修正因子比对,两者具有良好的一致性,最大偏差不超过2.5%,结果均表明波长越长、样品发射率越低,空腔效应对发射率测量结果影响越大。在1000℃温度下、12~14μm波长范围对铂金材料样品发射率进行实验,并与基于分立黑体法的发射率测量结果比对,经修正后的集成黑体法与分立黑体法的一致性从0.09提升至0.03,该结果验证了引入非等温边界空腔效应修正因子的理论模型的可行性,同时提高了该方法测量发射率的准确性。

一种发射率可矫正的红外热成像全局检测方法

在无损检测领域中,红外热成像检测具有重要地位。在利用红外热成像技术检测缺陷的过程中,受加工工艺和周围环境的影响,待检测设备的表面粗糙度各有殊异,材料表面的发射率不均,导致温度采集误差较大。针对该问题,结合热辐射基本定律探究出一种发射率可矫正的红外热成像全局检测法,意在矫正材料的表面发射率,降低检测过程中可能出现的缺陷错检漏检等安全性问题的风险。其仿真和实验结果表明,一方面使用红外热成像法检测时,表面粗糙度不同会严重干扰检测的准确性,具体影响为粗糙度越大,检测出的辐射温度越高;另一方面使用分离温度法可以实现矫正物体表面由于粗糙度不同带来的发射率不同的影响,仿真和实验结果表明矫正准确度可达70%左右,最高可以达到75%以上。基于此矫正检测方法能够有效实现基于红外热成像技术的全局检测,减少发射率对红外热像仪检测精度的影响,提高检测精度,同时也可以极大程度上提高缺陷检测的效率。

基于发射率在线测量的表面精确测温方法研究与仪器研制

由于被测表面发射率不确定且影响因素极其复杂,使得高温钢坯表面温度测量的准确性不确定,是工业过程参数检测领域一直没有解决的问题。文中采用带有双探测孔的反射器同时测量得到表面固有辐射和多重反射辐射,结合双波长探测器在线测量高温表面的发射率和表面温度。研制了相应的仪器并在高温试样表面进行测量,采用薄膜热电偶作为温度比对标准,测量得到600~1000℃的平均误差为2.6℃,两波长下发射率的测量误差分别为0.023、0.007,标准不确定度为1.78℃。相比于其他辐射测温方法,文中消除了发射率的假设条件限制,使表面温度的测量准确性明显提高。

低红外发射率环氧树脂/黄铜复合涂层的制备及性能研究

以环氧树脂为粘合剂,片状黄铜粉为功能颜料,硅烷偶联剂为界面改性剂,邻苯二甲酸二辛酯(DOP)为增塑剂,采用玻璃棒刮涂法制备了具有良好力学性能、光学性能和耐盐水性能的低红外发射率环氧树脂/黄铜复合涂层,研究了黄铜粉添加量、硅烷偶联剂种类、硅烷偶联剂添加量及DOP添加量对涂层性能的影响。结果表明:黄铜粉添加量的增加会使涂层的红外发射率和光泽度明显降低,当黄铜粉添加量为50%(质量分数)时,复合涂层具有最低的红外发射率(0.585)和光泽度(21.9)。在涂层配方中引入硅烷偶联剂KH570和DOP,可增强树脂基体与颜料间的结合强度及改善环氧树脂基体的韧性,从而显著提高复合涂层的力学性能。当复合涂层中KH570和DOP添加量均为7%(质量分数)时,复合涂层具有较低红外发射率(0.468)、较低光泽度(21.5)和优异的力学性能(附着力为1级,柔韧性为2mm,冲击强度为50kg·cm)。采用最佳配方制备的复合涂层在盐水中浸泡21d后,涂层的红外发射率和光泽度基本稳定,力学性能变化有限,表明制备的复合涂层具有良好的耐盐水性能。

微弧氧化法制备2A12铝合金高发射率涂层的性能研究

铝合金作为航天电推进器用加速喷射电真空器件的常用材料得到广泛应用,然而其在应用过程中容易出现过热现象,进而影响工作性能和使用寿命。因此,严重限制了铝合金的进一步应用。为了有效地解决铝合金过热问题,需将其表面聚集的热量进行有效地散发。采用微弧氧化(MAO)技术,以磷酸盐为基础电解液的主要成分,以FeSO_(4)为添加剂,通过调控FeSO_(4)的浓度,在2A12铝合金表面制备出组分分布均匀的具有红外高发射率的热控辐射涂层。使用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪、涡流测厚仪、粗糙度仪、万能材料试验机、傅里叶变换红外光谱仪,对不同FeSO_(4)浓度下制备的微弧氧化涂层的表面形貌、元素组成、相组成、厚度、粗糙度、结合强度及红外发射率进行了系统分析。结果表明,随着FeSO_(4)浓度从0 g·L^(-1)增加到8 g·L^(-1),涂层表面的孔洞数量逐渐减少,孔洞尺寸逐渐增加且出现裂纹,涂层的厚度和粗糙度逐渐增加。其中,厚度从17.2μm增加至39.1μm,粗糙度从1.94μm增加至2.96μm。另外,XRD及XPS分析结果表明,涂层主要由α-Al_(2)O_(3)、γ-Al_(2)O_(3)和Fe_(2)O_(3)相组成,且均为基体与电解液反应生成的产物。值得注意的是,当FeSO_(4)浓度为6 g·L^(-1)时,涂层的结合强度、红外发射率值达到最佳值,分别为39.8 MPa和0.909。本研究为2A12铝合金在航空航天领域中进一步应用提供了理论依据。

发射率对红外温度传感器测量精度的算法补偿研究

在实际的工况环境下,红外温度传感器所设置的材料发射率不同将会使得红外温度测量结果产生偏差,影响铝板材的板形质量。针对这一问题,本文构建了一种基于不同发射率作用下的温度补偿模型,修正待测物体在不同发射率下的温度测量值。结果表明:该补偿模型能有效降低发射率数值偏离对于轧辊红外温度测量结果的误差影响,温度误差值控制在1℃以内,对于提高红外温度传感器的测温精度有着重要意义。

制备工艺参数对氟碳树脂/铝粉涂层红外发射率的影响

为获得发射率较低的涂层,多集中在树脂与填料组分的筛选上,而涂层制备过程中的工艺参数对其发射率的影响研究较少,且未对各制备工艺间的相互影响作用进行分析。为此,选择铝粉作为金属填料,氟碳树脂作为黏合剂制备了低红外发射率涂层,先进行单因素试验,调控涂料的黏度(通过改变涂料中稀释剂添加量实现)、涂层的湿膜厚度以及固化温度,分析了3种工艺参数共同作用下对涂层中铝粉排布以及涂层红外发射率的影响。通过响应曲面法进一步分析了各工艺参数相互间的影响,并得到最优工艺参数组合,为涂层的实际制备过程做出指导。结果表明:3种工艺参数对涂层发射率的影响程度依次为涂料黏度>固化温度>湿膜厚度,在稀释剂添加量为78 g,膜层厚度为60μm,固化温度为73℃时,涂层在3~5μm波段的红外发射率为0.141,8~12μm波段的红外发射率为0.177。