用稳态卡计法对热控材料半球发射率的测试研究
利用稳态卡计法设计了一种测试材料半球发射率的试验装置，并对其进行了不确定度分析。使用该装置对二次表面镜（OSR）的室温半球发射率进行了测试，测试结果不确定度小于2.00％。同时，使用该装置测试了OSR与一种新型相变材料在190～350K间的半球发射率。
1、引言
半球发射率是固体材料的一个重要物理性能参数，它体现了材料在特定温度下相对黑体的辐射能力。材料半球发射率的测试方法包括卡计法和光学方法。其中卡计法又包括瞬态卡计法和稳态卡计法。瞬态卡计法能在较短的时间内连续测量样品在不同温度条件下的发射率，但在测试中要求样品的导热性好，以保证在冷却过程中样品内部没有温度梯度。因而，用其测试低热导率材料的半球发射率较为困难。此外，采用瞬态卡计法需获取材料在不同温度下的比热容，然而许多新型的卫星热控材料的热力学参数非常缺乏，这也限制了瞬态卡计法的应用。而稳态卡计法克服了测试过程对材料导热系数与比热容的苛刻要求，测试精度较高，测试温区宽，应用较为广泛。为了测试材料在不同温度条件下尤其是在低温下的半球发射率，作者介绍了一台基于稳态卡计法的半球发射率测试装置。利用该测试装置的测试结果，可方便地计算出材料的半球发射率，测试与计算较简单。作者使用该装置完成了对二次表面镜（OSR）及一种新型相变热控材料的半球发射率的测试。
2、测试原理
采用稳态卡计法测量材料半球发射率。假设样品的半球发射率εh等于半球吸收率，当样品温度达到热平衡时，有如下关系式
式中σ为斯蒂芬－波尔兹曼常数；As为样品的表面积；Ts和Tw分别为样品与测试室内壁的温度；Q为加热器的加热功率；Qw为样品通过引线的热损；Qg为测试室内由残余气体引起的热损；Qr为样品与测试室内壁多次反射样品吸收的能量。
在测试过程中，测试室内维持高真空，且测试室内表面积远大于样品表面积，因而，Qg与Qr可以忽略不计；由于采用的加热丝及引线直径都较细，故可忽略引线的热损Qw。通过测量加热器的加热功率Q、样品温度Ts 与测试室内壁温度Tw以及样品的表面积As，采用公式（2）计算材料的半球发射率εh
3、试验装置
测试系统简图如图1所示。该系统主要由内部装有测试室的绝热容器、真空系统、直流稳压电源、数字电压表、样品单元等组成。测试室内壁尺寸为Φ250 mm×280mm，表面涂有一层亚光黑漆（εh≈0.90）。测试时在绝热容器中添加制冷工质。真空系统由旋片机械泵及油扩散泵组成，真空度维持在1×10-3Pa。样品单元如图2 所示，由两片相同的样品（40.0mm×40.0mm×0.5mm）和一个加热片（40.0mm×40.0mm×0.2mm）组成。采用铜-康铜热电偶测量样品温度，热电偶与加热丝的直径均为0.16 mm。采用长春电器仪表厂的WYJ 型直流稳压电源提供加热电流。采用7071 型数字电压表测量热电偶热电势。
1.绝热容器；2.测试室；3.样品单元；4.稳压电源；5.数字电压表；6.真空机组
图1 试验装置示意图
1.加热丝；2.热电偶；3.样品；4.加热器
图2 样品单元示意图
4、试验
使用该测试装置测试了铈玻璃二次表面反射镜（OSR）和一种相变材料在不同温度下的半球发射率。测试前先测量样品的表面积并将热电偶固定在样品表面，然后将样品单元装入真空室，开启真空机组，当真空度达到1×10-3Pa 时，向绝热容器中注入液氮。待内腔体温度稳定时，开始测量并记录数据。由公式（2）计算半球发射率，并将所计算数据与文献值进行比对。
5、结果与讨论
该测试装置的不确定度主要来源于样品尺寸测量、样品温度测量、真空环境温度测量及加热功率测量、引线热损五方面。样品采用不确定度为0.01 mm 的数显卡尺测量，其不确定度小于0.05%；热电偶的不确定度小于0.20%；引线热损引起的不确定度小于1.00%；功率测量引起的不确定度小于1.00%。因而，总的测量不确定度小于2.50%。
该测试装置所测量OSR 的室温半球发射率与真空技术网上另文提供的值的比较如表1 所列。可以看出，该装置的室温测试值与文献值间的误差小于2.00%，该装置能够较为准确的测量出材料的半球发射率。
表1 OSR的室温测试值比较
表2 是使用该装置对不同温度下OSR 及一种相变材料的半球发射率测试值。由表2 可以看出，OSR 的发射率随温度升高逐渐减小，且在190～350 K 间变化较小，降幅为0.08；而相变材料的发射率随温度升高逐渐增加，且变化较为明显，尤其是在230～270K间，增幅达到0.17，在整个测试温区内，半球发射率增幅超过60％。这主要是因为该材料在低温下处于金属相，表现出金属的热辐射特性，具有较低的发射率值，可减少热辐射，保存热量；温度较高时，该材料表现出绝缘体的热辐射特性，具有较高的发射率值，可增强辐射换热，散失多余热量。
表2 不同温度下OSR与相变材料的半球发射率
6、结论
作者设计了一种测试材料半球发射率的试验装置，并对该装置的测试不确定度进行了分析。测试结果表明，该装置能够较准确地测试材料室温下的半球发射率，测试不确定度小于2.00％。同时，利用该装置也测试了OSR 及一种相变材料在190～350K间的半球发射率。OSR 的半球发射率随温度升高呈减小趋势，且减小缓慢，为0.08；相变材料的半球发射率随温度升高而增大，在230～273 K 间增加明显，且在整个测试温区内，其增幅超过60%，是一种较好的热控材料。
