用穩(wěn)態(tài)卡計法對熱控材料半球發(fā)射率的測試研究
利用穩(wěn)態(tài)卡計法設(shè)計了一種測試材料半球發(fā)射率的試驗(yàn)裝置，并對其進(jìn)行了不確定度分析。使用該裝置對二次表面鏡（OSR）的室溫半球發(fā)射率進(jìn)行了測試，測試結(jié)果不確定度小于2.00％。同時，使用該裝置測試了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重要物理性能參數(shù)，它體現(xiàn)了材料在特定溫度下相對黑體的輻射能力。材料半球發(fā)射率的測試方法包括卡計法和光學(xué)方法。其中卡計法又包括瞬態(tài)卡計法和穩(wěn)態(tài)卡計法。瞬態(tài)卡計法能在較短的時間內(nèi)連續(xù)測量樣品在不同溫度條件下的發(fā)射率，但在測試中要求樣品的導(dǎo)熱性好，以保證在冷卻過程中樣品內(nèi)部沒有溫度梯度。因而，用其測試低熱導(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)卡計法的應(yīng)用。而穩(wěn)態(tài)卡計法克服了測試過程對材料導(dǎo)熱系數(shù)與比熱容的苛刻要求，測試精度較高，測試溫區(qū)寬，應(yīng)用較為廣泛。為了測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，作者介紹了一臺基于穩(wěn)態(tài)卡計法的半球發(fā)射率測試裝置。利用該測試裝置的測試結(jié)果，可方便地計算出材料的半球發(fā)射率，測試與計算較簡單。作者使用該裝置完成了對二次表面鏡（OSR）及一種新型相變熱控材料的半球發(fā)射率的測試。
2、測試原理
采用穩(wěn)態(tài)卡計法測量材料半球發(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，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分別為樣品與測試室內(nèi)壁的溫度；Q為加熱器的加熱功率；Qw為樣品通過引線的熱損；Qg為測試室內(nèi)由殘余氣體引起的熱損；Qr為樣品與測試室內(nèi)壁多次反射樣品吸收的能量。
在測試過程中，測試室內(nèi)維持高真空，且測試室內(nèi)表面積遠(yuǎn)大于樣品表面積，因而，Qg與Qr可以忽略不計；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。通過測量加熱器的加熱功率Q、樣品溫度Ts 與測試室內(nèi)壁溫度Tw以及樣品的表面積As，采用公式（2）計算材料的半球發(fā)射率εh
3、試驗(yàn)裝置
測試系統(tǒng)簡圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由內(nèi)部裝有測試室的絕熱容器、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）。測試時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）和一個加熱片（40.0mm×40.0mm×0.2mm）組成。采用銅-康銅熱電偶測量樣品溫度，熱電偶與加熱絲的直徑均為0.16 mm。采用長春電器儀表廠的WYJ 型直流穩(wěn)壓電源提供加熱電流。采用7071 型數(shù)字電壓表測量熱電偶熱電勢。
1.絕熱容器；2.測試室；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)
使用該測試裝置測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。測試前先測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，開啟真空機(jī)組，當(dāng)真空度達(dá)到1×10-3Pa 時，向絕熱容器中注入液氮。待內(nèi)腔體溫度穩(wěn)定時，開始測量并記錄數(shù)據(jù)。由公式（2）計算半球發(fā)射率，并將所計算數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)值進(jìn)行比對。
5、結(jié)果與討論
該測試裝置的不確定度主要來源于樣品尺寸測量、樣品溫度測量、真空環(huán)境溫度測量及加熱功率測量、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%；功率測量引起的不確定度小于1.00%。因而，總的測量不確定度小于2.50%。
該測試裝置所測量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。可以看出，該裝置的室溫測試值與文獻(xiàn)值間的誤差小于2.00%，該裝置能夠較為準(zhǔn)確的測量出材料的半球發(fā)射率。
表1 OSR的室溫測試值比較
表2 是使用該裝置對不同溫度下OSR 及一種相變材料的半球發(fā)射率測試值。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，在整個測試溫區(qū)內(nèi)，半球發(fā)射率增幅超過60％。這主要是因?yàn)樵摬牧显诘蜏叵绿幱诮饘傧�，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，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)計了一種測試材料半球發(fā)射率的試驗(yàn)裝置，并對該裝置的測試不確定度進(jìn)行了分析。測試結(jié)果表明，該裝置能夠較準(zhǔn)確地測試材料室溫下的半球發(fā)射率，測試不確定度小于2.00％。同時，利用該裝置也測試了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，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，且在整個測試溫區(qū)內(nèi)，其增幅超過60%，是一種較好的熱控材料。
