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文档简介

1、2021-10-291第四章实际材料的辐射性质2021-10-2924-1 引言电磁理论对电磁理论对光学上光滑光学上光滑表面辐射性质表面辐射性质的计算结果与实际材料的表面测量结的计算结果与实际材料的表面测量结果差别较大。实际测量在表面辐射性果差别较大。实际测量在表面辐射性质研究必不可少。质研究必不可少。实际材料热辐射性质随波长、温度、实际材料热辐射性质随波长、温度、粗糙度、发射方向等的变化。粗糙度、发射方向等的变化。绝缘材料、半导体、金属、涂层。绝缘材料、半导体、金属、涂层。2021-10-2934-2 金属材料的辐射特性金属发射的总体特性金属发射的总体特性:纯净光滑的金属表面一般发射率和吸纯

2、净光滑的金属表面一般发射率和吸收率均低,因而反射率较高。收率均低,因而反射率较高。金属发射特性的影响因素金属发射特性的影响因素:(1)发射方向发射方向 (6)熔融金属熔融金属(2)波长波长(3)表面温度表面温度(4)表面粗糙度表面粗糙度(5)表面杂质表面杂质,表面涂层表面涂层2021-10-2944-2 金属材料的辐射特性纯净光滑的金属表面一纯净光滑的金属表面一般发射率和吸收率均般发射率和吸收率均低,因而反射率较高。低,因而反射率较高。金属具有低发射率的例金属具有低发射率的例外:当外:当波长变短波长变短时,时,光谱发射率可以增加光谱发射率可以增加到到0.5或更大,或者当或更大,或者当温度升高温

3、度升高时发射率变时发射率变得较大。得较大。2021-10-2954-2-1 方向上的变化磨光金属表面除磨光金属表面除90度附近外,方向发射率随度附近外,方向发射率随天顶角增加而增大。已被电磁理论预测到。天顶角增加而增大。已被电磁理论预测到。铂金属。铂金属。2021-10-2964-2-1 方向上的变化:磨光钛磨光金属表面除磨光金属表面除90度附近外,度附近外,方向发射率随方向发射率随天顶角增加而天顶角增加而增大。增大。对短波可能有偏对短波可能有偏差。右图磨光差。右图磨光钛的方向光谱钛的方向光谱发射率。发射率。2021-10-2974-2-2 波长的影响金属的光谱发射金属的光谱发射率在红外区域率

4、在红外区域随波长的减小随波长的减小而增加。而增加。图中铜曲线是例图中铜曲线是例外,其发射率外,其发射率随波长相对地随波长相对地保持不变。保持不变。2021-10-2984-2-2 波长的影响在波长很短时,电在波长很短时,电磁理论预测失效。磁理论预测失效。绝大多数金属在绝大多数金属在在靠近可见光的在靠近可见光的某处有一个最大某处有一个最大发射率,而后随发射率,而后随着波长的进一步着波长的进一步减少,发射率进减少,发射率进一步降低,如右一步降低,如右图的钨金属发射图的钨金属发射率特性。率特性。2021-10-2994-2-3 表面温度的影响Hagen-Rubens关系式:关系式:2/10,/003

5、. 022)(eenrrn在大多数情况下,纯在大多数情况下,纯金属的光谱发射率金属的光谱发射率象电阻率一样随温象电阻率一样随温度的增加而增大。度的增加而增大。在短波,温度的影在短波,温度的影响正相反,光谱发响正相反,光谱发射率随温度的增加射率随温度的增加而减小。而减小。不同温度下钨金属的半球光谱发射率不同温度下钨金属的半球光谱发射率 计算值与实验值比较计算值与实验值比较2021-10-29104-2-3 表面温度的影响在大多数情况下,纯在大多数情况下,纯金属的光谱发射率金属的光谱发射率象电阻率一样随温象电阻率一样随温度的增加而增大。度的增加而增大。原因是,随着温度的原因是,随着温度的增加,黑体

6、辐射曲增加,黑体辐射曲线的最大值向短波线的最大值向短波方向移动,因此,方向移动,因此,在较高的光谱发射在较高的光谱发射率区相应地有更多率区相应地有更多的辐射被发射出去,的辐射被发射出去,这样导致总发射率这样导致总发射率的增加。的增加。绝缘材料氧化镁发射率绝缘材料氧化镁发射率随温度的增加而降低。随温度的增加而降低。2021-10-29114-2-3 表面温度的影响:低温工程在深冷低温工程中,在深冷低温工程中,缺乏辐射特性的实缺乏辐射特性的实验数据。尤其缺乏验数据。尤其缺乏长波下在此温度下长波下在此温度下的发射特性。的发射特性。右图为一些理论预测右图为一些理论预测和实验结果对比,和实验结果对比,铜

7、金银的发射率实铜金银的发射率实验值并未减小到理验值并未减小到理论预测的这样小。论预测的这样小。2021-10-29124-2-4 表面粗糙度的影响表面粗糙和表面杂质或涂层,是造成表面粗糙和表面杂质或涂层,是造成与电磁理论计算结果偏离的主要原因。与电磁理论计算结果偏离的主要原因。光学粗糙度定义:光学粗糙度定义:o/,特征粗糙度,特征粗糙度,均方根均方根rms值。值。光学上光滑表面:光学上光滑表面: o/1光学上奇异表面:光学上奇异表面: o/12021-10-2913波长与粗糙度的比较2021-10-29144-2-4 表面粗糙度影响的理论计算应用分析方程计算辐射性质的一个主应用分析方程计算辐射

8、性质的一个主要障碍是如何精确定义表面的特性,要障碍是如何精确定义表面的特性,目前还没有一种普遍承认的、能准确目前还没有一种普遍承认的、能准确描述表面特性的方法。描述表面特性的方法。2021-10-29154-2-4光学上光滑表面:发射率对光滑表面,对光滑表面,由由(a)图看图看到,粗糙到,粗糙度变化度变化2到到16时,时,发射率变发射率变化了一个化了一个很小的值。很小的值。2021-10-29164-2-4光学上光滑表面:粗糙度对方向特性与法线成与法线成10度入度入射,镍表面,射,镍表面,纵坐标为测量纵坐标为测量发射率与磨光发射率与磨光表面的反射率表面的反射率之比值。反映之比值。反映的是粗糙度

9、对的是粗糙度对方向特性的影方向特性的影响,而不是对响,而不是对反射率的影响。反射率的影响。2021-10-29174-2-5 表面杂质的影响杂质指任何污染。最普遍的是外来材杂质指任何污染。最普遍的是外来材料的沉积薄层。料的沉积薄层。金属表面的污染常使发射率提高。金属表面的污染常使发射率提高。表面覆盖层的结构对基体的辐射行为表面覆盖层的结构对基体的辐射行为有很大影响。有很大影响。2021-10-29184-2-5 表面杂质的影响:氧化氧化使金氧化使金属表面属表面使发射使发射率提高。率提高。2021-10-29194-2-5 表面杂质的影响:氧化氧化使钛氧化使钛金属的金属的发射率发射率比纯净比纯净

10、材料的材料的几乎提几乎提高了一高了一倍。倍。0.06 微微 米米 氧氧 化化 层层 厚厚2021-10-29204-2-5 表面杂质的影响:不锈钢氧化2021-10-29214-2-5 表面杂质的影响:铜氧化厚度2021-10-29224-2-5 表面杂质的影响:铜氧化随光谱2021-10-29234-2-5 表面杂质的影响:铝氧化2021-10-29244-2-5 表面覆盖层的影响影响很大,影响很大,图为涂有图为涂有硫化铝的硫化铝的铝的半球铝的半球光谱发射光谱发射率,长波率,长波段内,涂段内,涂层有无两层有无两者差一倍。者差一倍。2021-10-29254-2-6 熔融金属总发射总发射率与率

11、与温度温度的关的关系不系不大。大。2021-10-2926熔融金属发射率表2021-10-29274-3 非金属材料的辐射特性在中等温度下有较高的发射率和吸收在中等温度下有较高的发射率和吸收率。方向发射率随与表面法线所成的率。方向发射率随与表面法线所成的角度的增加而减少,与波长的相关性角度的增加而减少,与波长的相关性较小。非金属的辐射特性与温度的相较小。非金属的辐射特性与温度的相关性关性 也不大。也不大。2021-10-29284-3 非金属材料的辐射特性2021-10-29294-3 非金属材料的辐射特性非金属材料的辐射特性测量数据较少。在中非金属材料的辐射特性测量数据较少。在中等温度下有较

12、高的发射率和吸收率。等温度下有较高的发射率和吸收率。非金属发射特性的影响因素非金属发射特性的影响因素:(1)波长波长: 总体上看变化不大总体上看变化不大(2)表面温度表面温度:总体上看变化不大总体上看变化不大(3)表面粗糙度表面粗糙度: 非镜面发射非镜面发射(4)表面杂质表面杂质 (5)光谱选择性表面光谱选择性表面: 太阳能太阳能(6)表面方向特性的改变表面方向特性的改变: 特殊用途特殊用途2021-10-2930涂层厚度要足够测量涂层材测量涂层材料的发射料的发射率,必须率,必须使涂层具使涂层具有足够的有足够的厚度,使厚度,使从基片发从基片发射的能量射的能量不穿透涂不穿透涂层。层。2021-1

13、0-29314-3-1 非金属材料光谱测量钢表面钢表面3 3种油漆涂层的半种油漆涂层的半球法向光谱反射率。球法向光谱反射率。1 1减去反射率等于法减去反射率等于法向光谱发射率。向光谱发射率。白油漆在短波下有高的白油漆在短波下有高的反射率,黑油漆在整反射率,黑油漆在整个波段反射率较低,个波段反射率较低,铝化油漆由于有更多铝化油漆由于有更多的金属涂层,所以反的金属涂层,所以反射率较高,并且这种射率较高,并且这种铝化油漆与波长关系铝化油漆与波长关系不大,可以看作不大,可以看作“灰灰”表面。表面。2021-10-29324-3-1 非金属材料光谱测量有些非金属材料,在有些非金属材料,在可见光的短波段,

14、可见光的短波段,反射率可能显著降反射率可能显著降低。低。这一特点在研究特殊这一特点在研究特殊的非金属涂层对来的非金属涂层对来自高温源的反射辐自高温源的反射辐射的适应性时是很射的适应性时是很重要的,因为高温重要的,因为高温时能量处在短波段。时能量处在短波段。2021-10-29334-3-1 绝缘材料反射光谱特性在可见光段,在可见光段,某些材料某些材料的低反射的低反射率对吸收率对吸收很重要。很重要。如太阳能。如太阳能。2021-10-29344-3-2 非金属总辐射特性随温度变化随温度增加,有增随温度增加,有增高、有降低。高、有降低。氧化镁耐火材料的氧化镁耐火材料的发射率随温度的发射率随温度的升

15、高而明显降低。升高而明显降低。石墨上的碳化硅涂石墨上的碳化硅涂层发射率随温度层发射率随温度的增加而升高,的增加而升高,部分原因可能是部分原因可能是因为基体石墨的因为基体石墨的发射率随温度增发射率随温度增加而升高。加而升高。2021-10-29354-3-2 非金属总辐射特性随温度变化氧化铝和氧化锆材氧化铝和氧化锆材料的发射率随温料的发射率随温度的升高而明显度的升高而明显降低。降低。2021-10-29364-3-2 非金属总辐射特性随温度变化白纸和白大理石,对白纸和白大理石,对低温下的黑体辐射低温下的黑体辐射源来说,是一个好源来说,是一个好的吸收体,但对于的吸收体,但对于数千温度下黑体发数千温

16、度下黑体发射的光谱来说却是射的光谱来说却是一个差的吸收体,一个差的吸收体,即对太阳光能量是即对太阳光能量是一个好的反射体。一个好的反射体。沥青路面和灰石板可沥青路面和灰石板可以很好地吸收太阳以很好地吸收太阳能。能。2021-10-29374-3-3 表面粗糙度影响Snell定律,但一般而言,粗糙度使反射强度分布在定律,但一般而言,粗糙度使反射强度分布在镜反射方向附近的一个相当大的角度范围内,所镜反射方向附近的一个相当大的角度范围内,所以下图打字纸的表面光度并不是理想的。以下图打字纸的表面光度并不是理想的。2021-10-29384-3-3 表面粗糙度影响:非镜反射的3D说明一般而言,一般而言,

17、绝缘材料的绝缘材料的发射率随粗发射率随粗糙度增加稍糙度增加稍有增加。有增加。2021-10-29394-3-3 表面粗糙度影响右图,有非镜反右图,有非镜反射的最大值。射的最大值。2021-10-29404-3-3 表面粗糙度影响图中月球表面强烈的反向图中月球表面强烈的反向散射,造成了月球的中散射,造成了月球的中心和边缘的亮度相同,心和边缘的亮度相同,同时造成了在十五满月同时造成了在十五满月时亮度达到最大。时亮度达到最大。2021-10-29414-3-4 半导体和超导体的性质硅半导体的法向光谱发射率,类似于磨光金硅半导体的法向光谱发射率,类似于磨光金属:发射率随波长的减小而增加,在较短属:发射

18、率随波长的减小而增加,在较短波长出现一个最大值。但总体上比金属向波长出现一个最大值。但总体上比金属向长波方向移动了,比如图中最大值出现在长波方向移动了,比如图中最大值出现在红外区。红外区。2021-10-29424-4 光谱选择表面工程意义重大:工程意义重大: v如太阳能收集器。希望表面上维持最大如太阳能收集器。希望表面上维持最大可能的平衡温度,表面收集能量的能力可能的平衡温度,表面收集能量的能力最大,损失最小。最大,损失最小。v太空中的散热表面,希望保持该表面的太空中的散热表面,希望保持该表面的冷态。则要求对太阳的反射最大,同时冷态。则要求对太阳的反射最大,同时表面辐射发射也最大。表面辐射发

19、射也最大。2021-10-29434-4-1 表面光谱特性的变更:光谱选择表面出现吸收率急剧出现吸收率急剧下降的波长称为下降的波长称为截止波长。截止波长。c光谱选择性表面:在太阳能峰值附近的短波光谱区光谱选择性表面:在太阳能峰值附近的短波光谱区有很大的吸收率,但在出现自身发射峰值的长波有很大的吸收率,但在出现自身发射峰值的长波光谱区吸收率很小(即发射率很小)。这样它的光谱区吸收率很小(即发射率很小)。这样它的吸收就可能接近于黑体而发射的能量却很小。吸收就可能接近于黑体而发射的能量却很小。2021-10-29444-4-1 表面光谱特性的变更:光谱选择表面制造方法之一:金属基片上涂覆非金属薄层。

20、制造方法之一:金属基片上涂覆非金属薄层。薄层对于长波辐射基本上是透明的,光谱薄层对于长波辐射基本上是透明的,光谱吸收率和发射率都很低。但是,对于短波,吸收率和发射率都很低。但是,对于短波,薄层辐射性质接近于非金属涂层,光谱吸薄层辐射性质接近于非金属涂层,光谱吸收率和发射率都很高。收率和发射率都很高。一个理想的太阳能收集器的光谱选择性表面一个理想的太阳能收集器的光谱选择性表面应该是:吸收最大的太阳能而发射的能量应该是:吸收最大的太阳能而发射的能量最小。即在整个短波内吸收率为最小。即在整个短波内吸收率为1,在长,在长波区吸收率立即降低为波区吸收率立即降低为0。2021-10-29454-4-1 光

21、谱选择表面,理想表面例1例:一理想的选择性表面受到相应于例:一理想的选择性表面受到相应于平均太阳常数为平均太阳常数为q qi i=1353w/m=1353w/m2 2的法的法向入射辐射通量的照射。向该表面传向入射辐射通量的照射。向该表面传热或从该表面传出热量的唯一手段是热或从该表面传出热量的唯一手段是辐 射 。 试 决 定 相 应 于 截 止 波 长辐 射 。 试 决 定 相 应 于 截 止 波 长 c c=1m=1m的最大平衡温度的最大平衡温度T Teqeq(从太阳(从太阳到达的能量可以假设为光谱分布与到达的能量可以假设为光谱分布与5780K5780K的黑体的光谱分布成比例)。的黑体的光谱分

22、布成比例)。c2021-10-29464-4-1光谱选择表面,例12021-10-29474-4-1光谱选择表面,例1解:解:因为辐射传热是唯一的能量传递手段,因为辐射传热是唯一的能量传递手段,所以吸收的辐射能必定等于发射的辐所以吸收的辐射能必定等于发射的辐射能。因为表面为理想的选择吸收体,射能。因为表面为理想的选择吸收体,所以其半球发射率和吸收率为所以其半球发射率和吸收率为()=()=1 0=c()=()=0 c=无穷大无穷大2021-10-29484-4-1光谱选择表面,例1每单位时间表面所吸收的能量为每单位时间表面所吸收的能量为Qa=F0-c(Ti)qiA每单位时间表面所发射的能量为每单

23、位时间表面所发射的能量为Qe=F0-c(Teq)Teq4A两者相等,得两者相等,得Teq4 F0-c(Teq)= F0-c(Ti)qi/ 2021-10-29494-4-1光谱选择表面,例1编程迭代求解上式,得下面结果:编程迭代求解上式,得下面结果:)T(Fq)T(FTi0ieq04eqcc5 . 12 . 10 . 18 . 06 . 0mc,截止波长39610501190134015301820KTeq,平衡温度2021-10-2950理想光谱选择表面平衡温度与截止波长关系:最新2021-10-2951SiCSiC法向光谱反射率随波长变化图材料法向光谱反射率随波长变化图材料法向光谱反射率随波长变化图2021-10-29524-4-2 穿过玻璃的选择性透射石英玻璃的光谱透石英玻璃的光谱透射率。射率。选择性:在两个稳选择性:在两个稳定的截止波长范定的截止波长范围内透射率很高,围内透射率很高,一旦超出,则普一旦超出,则普通玻璃变成了高通玻璃变成了高吸收体,透射率吸收体,透射率迅速降到零,同迅速降到零,同时也是好的发射时也是好的发射体了。体了。2021-10-29

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