利用能量对比法测量高温材料发射率

高温材料在航空航天、能源转换、红外隐身及辐射测温等诸多领域中发挥着关键作用，而精确掌握其光谱发射率是实现热辐射特性评估与控制的基础。由于材料发射率并非物质的本征属性，而是与温度、波长、表面状态等因素密切相关，因此其测量在高温条件下尤为复杂。本文聚焦于“能量对比法”在高温材料光谱发射率测量中的原理、系统实现及优势。

一、能量对比法原理概述

能量对比法是一种基于发射率定义的直接测量方法。具体而言，在相同的温度、波长和视角条件下，测量待测材料与理想黑体的辐射能量，二者之比即为材料在该条件下的光谱发射率。其基本公式如下：

$$\epsilon (\lambda ,T)=\frac{L_{\text{sample}}(\lambda ,T)}{L_{\text{blackbody}}(\lambda ,T)}$$

其中$L_{\text{sample}}$和$L_{\text{blackbody}}$分别表示样品与黑体在波长$\lambda$和温度$T$条件下的辐射亮度。由于该方法无需对发射率模型进行假设，具有理论清晰、准确性高等优点，成为当前高温发射率研究中的主流技术之一。

二、测量系统构建与温度范围

研究人员构建了一套基于能量对比法的高温光谱发射率测量系统。该系统涵盖了从中温段（473 K）至超高温段（2373 K）的宽温度范围，并可覆盖从近红外到远红外（0.8–27 μm）的波长区间。

系统采用独立黑体作为标准辐射源，通过高精度温控装置实现样品与黑体温度的一致性。为确保测量光路的一致性，系统在结构上采用对称光路设计，并利用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）结合多波段红外探测器，实现宽光谱高分辨率的辐射能量采集。此外，还通过激光对准和真空腔体设计，降低了背景辐射和信号干扰。

三、测量策略与样品适配

为适应宽温区间内不同材料的发射率测量需求，系统采用“分温区测量策略”，在中温区（473–1073 K）与高温区（1073–2373 K）分别布设了不同的加热装置与控温模块。高温段采用大功率直流电源加热，样品放置在高纯钨舟中，通过红外高温计与热电偶联合测温，确保温控精度达 ±1 K。

通过与黑体腔的同位比辐射测量，可有效评估金属（如钨、钛、铝）与非金属（如石墨）材料在高温条件下的光谱发射率。实验结果显示，该系统在2373 K的高温条件下依然保持良好的测量稳定性与重复性。

四、与其他方法的比较优势

相较于多波长法、量热法和反射法，能量对比法具有如下突出优势：

• 原理简洁，结果可直接溯源至黑体辐射定律，避免模型拟合误差；

• 可适配多种材料形状和高温环境，适用性强；

• 测量精度高，综合不确定度可控制在3.8%以内；

• 支持高温下的发射率测量，是少数能达到2000 K 以上准确测量的手段。

然而，该法对实验系统的光路一致性、温度一致性和设备稳定性提出了较高要求，系统设计与调试过程复杂。

能量对比法作为发射率测量领域的重要技术路径，尤其在高温条件下展现出的优势。其直接、精确、可扩展的特点，使其成为新材料热性能评估、热控系统设计与红外材料开发中的核心支撑技术。随着高性能红外探测器与光谱分析系统的进一步发展，基于能量对比法的发射率测量体系将持续拓展其应用边界，并在高温工程材料的研究与应用中发挥更大作用。