垂直发射率检测-中化所第三方检测机构[材料实验室]

垂直发射率检测详解

垂直发射率检测是材料光学热物理性能评价的关键环节，专注于测量材料表面在特定方向（通常垂直于表面）和特定条件下发射红外辐射的能力。其核心在于获取表征材料热辐射特性的精确数据。

核心检测项目：

样品制备与表征：
- 表面状态确认： 详细记录样品表面处理工艺（如抛光、氧化、涂层、粗糙度）、清洁度及是否存在污染。表面微观形貌通常需通过显微成像技术（如光学显微镜、电子显微镜）进行表征。
- 基材信息： 明确基材材质（金属、陶瓷、聚合物等）及其基本物理性质（若已知）。
- 涂层/薄膜信息： 记录涂层/薄膜的材质（类型）、厚度（通过测厚仪测量）、制备方法及层结构信息。
- 几何尺寸： 精确测量样品尺寸，确保其符合测试设备的样品仓要求。
光谱发射率测量 (核心项目)：
- 原理： 基于普朗克黑体辐射定律和基尔霍夫热辐射定律。通过测量待测样品在设定温度、垂直于表面方向上的光谱辐射能量，与同温度下理想黑体在相同波长、相同方向上的光谱辐射能量进行比较。
- 测量方法：
  - 辐射测量法： 使用高精度红外光谱辐射计（如傅里叶变换红外光谱仪 - FTIR）直接测量样品发射的光谱辐射亮度。样品与光谱仪探测器之间需保持精确的光学对准（垂直方向）。
  - 参考黑体： 在相同温度下，使用经过标定的高标准黑体源作为基准，测量其光谱辐射亮度。
- 关键参数控制：
  - 温度 (T)： 精确控制并测量样品表面温度（通常使用接触式热电偶或非接触红外测温仪校准），温度稳定度是保证结果准确的关键。测试通常在多个代表性温度点进行。
  - 波长范围 (λ)： 根据应用需求（如常温建筑节能关注中远红外，高温航天关注近中红外），设定测量的光谱范围（例如 2.5 μm ~ 25 μm 或更宽）。
  - 发射方向 (θ)： 严格确保测量方向垂直于样品表面（θ = 0°）。精密的光学准直系统至关重要。
  - 环境： 通常在真空或惰性气体环境中进行，以消除大气吸收（特别是水蒸气和CO2）和热对流的影响。气压需精确控制或记录。
- 输出： 获得材料在特定温度T、垂直方向、不同波长λ下的光谱发射率 (ε(λ, T, 0°)) 数据曲线。
半球发射率计算 (常用关联项目)：
- 虽然核心测量是垂直方向，但实际应用中常需要半球发射率 (ε_h(T))，它代表了材料表面向整个半球空间发射的总能量与同温度黑体发射总能量之比。
- 理论上，对于表面均匀、符合朗伯体（漫发射）假设的材料，其法向光谱发射率与半球光谱发射率近似相等。对于非朗伯表面，需要通过积分球装置测量方向-半球反射率 (ρ(λ, T))，再利用能量守恒关系 ε_h(λ, T) = 1 - ρ(λ, T) 计算半球光谱发射率，再对波长积分得到全波段半球发射率。
- 垂直（法向）发射率数据是估算或验证半球发射率的重要输入参数之一。
温度依赖性研究：
- 材料的发射率通常随温度变化。检测项目通常要求在不同设定温度点（覆盖材料的预期使用温度范围）重复进行光谱发射率测量，以研究并量化发射率随温度的变化规律 (ε(λ, T, 0°) vs T)。
表面特性关联分析：
- 检测报告通常会将测得的发射率数据与样品的表面微观形貌、成分、结构等表征结果进行关联分析，解释观测到的发射率特性（如高发射率或低发射率）的物理机制。

检测原理与技术：

辐射能量比对： 核心原理是比较样品与理想黑体在相同温度、相同光学几何条件下的辐射能量。
傅里叶变换红外光谱 (FTIR) 技术： 是现代高精度光谱发射率测量的主流技术。其优点在于高光通量、高光谱分辨率、宽光谱范围快速扫描及精确的波长定位能力。配备液氮或热电制冷的高灵敏度探测器（如MCT、InSb）是关键。
真空/环境控制腔体： 为消除大气干扰和精确控温，样品通常置于可抽真空或充惰性气体的控温样品腔内。腔内配备精确控温的样品台和测温装置。
精密光学系统： 包括准直光路、反射镜、光阑等，确保测量光束准确地垂直于样品表面并收集垂直方向的辐射信号，同时避免杂散光干扰。

影响垂直发射率的关键因素：

材料本身性质： 材料的化学成分、晶体结构、电子能带结构是决定其本征发射特性的根本因素。
表面状态：
- 粗糙度： 表面粗糙度增加通常会增加发射率（特别是在中远红外波段）。
- 氧化层： 金属表面的氧化物层通常显著提高其发射率。
- 涂层/薄膜： 涂层的材质、厚度、结构（单层/多层）及其与基底的结合状态是决定发射率的直接因素。
- 污染： 油污、灰尘、指纹等会显著改变表面发射特性。
温度： 如前所述，发射率通常是温度的函数。
波长： 发射率具有强烈的光谱选择性，不同材料在不同波段的发射率差异极大。