材料的选择性热辐射机理

1、22 卷 6 期 2003. 1 1吴永红夏德宏（北京科技大学热能工程系）从材料的微观结构出发解析了热辐射波和材料内部微观粒子（电子、离子等）产生的电 磁谐振波之间的相互作用过程从而揭示了热辐射波在材料内部发射、吸收、透射和反射对波长 （或频率）的选择性机理。基干洛伦兹色散理论分析了材料发射率的色散关系和影响材料热辐射 选择性的主要因素。热辐射选择性谐振波色散THE SELECTIVE HEAT RADIATIVE MECHANISM OF MATERIALSWu ibnghong Xia Lfehong(Depl -of Thermal Engineering .Bijing Univ.of

2、 Sic & Tech)Abstract From the microstructure of materials J he interaction between incident heat radiative wave and the eclectromagnetism syntonic wave resulted from the microscopic particles(electrons and ion .etc. ) in materials is analyzed to reveal the wave length (frequency) selective emiss

3、ion .absoiption Jransniission and reflect 沁 n mechanism to lhe incident heat radiative wave .Based on the lorcntz di persion theory J he c- missivity dispersion of lhe material and the main effect on the heat radiative are also analyzed in this paper .Keywords heat radiation selectivity syntonic wav

4、e dispersion9© 1995-2006 Tsingluta Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.22 卷 6 期 2003. 1 19© 1995-2006 Tsingluta Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.22 卷 6 期 2003. 1 11材料的热辐射性能主要指材料对热辐射波 的发射、吸收、透射以及反射性能。实际材料的 热辐射特性都具有选择性例如白雪、白漆、透 明的水和玻璃等都能够强烈地吸收红外线而 氯化钠晶体、硫化碑

5、玻璃等等则能够在相当宽 的频率范围内透过红外线。具有选择性热辐射 特性物体的单色反射率、单色吸收率和单色透 射率等均会随频率发生变化，而且彼此都不相 等叮。材料的选择性热辐射是普遍存在的人 们所看到的五光十色的世界都是物体对可见光 的选择性反射、透射或散射的结果温室效应就 是因为普通玻璃具有透射可见光而反射红外线 的特性所产生的。为了实现如何利用、改善以收稿日期：2003- 0519吴永红（1979），硕士研究生：100083北京市海淀区。及消除材料热辐射的这种选择性，以达到节能 与环保的目的，本文旨在对材料选择性热辐射 的机理进行分析找出影响材料热辐射选择性 的主要因素从而加深对材料热辐射选

6、择性的 认识。22.1热辐射波与介质的相互作用条件各种材料表现出来的宏观热辐射特性都 是材料中所包含的各种微观粒子（电子、离子 等）在外电场作用下运动状态发生变化的反映0 由于自由电子、束缚电子及离子在外场作用下 都有各自不同的运动状态，因而表现出不同的 宏观热辐射特性。各种微观粒子在其平衡位置 以一定的固有频率作微振幅的周期性振动在 外来热辐射波的作用下微观粒子发生运动其 振动状态发生改变，从而表现出相应的热辐射9© 1995-2006 Tsingluta Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.22 卷 6 期 20

7、03. 1 119特性。但热辐射波与材料内部的微观粒子发生 相互作用是有条件的刀，条件之一是两者必须 有相同的频率和波矢。另外由于热辐射波是 横电磁波，所以微观粒子振动所产生的波也必 须是横向波，它们之间才能彼此耦合。但是仅 仅满足这一条件，介质还不一定能与热辐射波 发生相互作用，只有能产生电偶极矩的介质才 能与热辐射波发生相互作用，这是热辐射波与 材料内部的微观粒子发生相互作用的条件之 二。因为微观粒子与热辐射波的相互作用就是 它形成的电偶极矩与热辐射波的电磁场之间的 耦合在这种耦合中，电偶极矩有可能从热辐射 波中吸收能量。只有满足这两个条件，热辐射 波与介质之间的相互作用才能达到最强，介质

8、 对热辐射波的吸收程度达到最大。2-2热辐射波与介质的相互作用模型根据洛伦兹(Lorentz)色散理论，从经 典的牛顿力学出发，可以将物质中的原子看成 是由原子核及电子组成的谐振子，把离子看成 是由正离子和负离子组成的谐振子。为简单起 见，设所考察的对象为均匀、各向同性的物体， 热辐射波与物质的相互作用.可以看成是阻尼 谐振子体系在入射热辐射波作用下的受迫振 荡。谐振子在振动时受到的阻力用阻尼系数 来表示，并且假设辐射作用介质中只有一种固 有频率为°、质量为/的谐振子。考虑一维 模型.坐标x表示谐振子在热辐射波作用下的 位移。谐振子体系受到的作用力有与位移x 成正比的弹性恢复力旅，与

9、速度成正比 的阻尼力网x,以及电场驱动力e * Eoexp 其中0、分别表示谐振子的固有振 荡频率和入射热辐射波的频率；具有频率的 量纲.表示谐振子碰撞的频率一般作为与频率 无关的常数处理；J是谐振子的有效电荷。在 这些力的作用下一个谐振子的运动方程可以 表示为in+ /fOox = e * £bexp(1 丿dr山解此方程式,可以得到谐振子在热辐射波 作用下的位移珂)为:) = ?9 Eoexp(3/丿 (2)设单呼体积中的有咨揩振子为N,由电极 化强度戸的定义可知/= Ne 9 oxh所以 复极化率x为；x ( ) =?7 1?(3丿(o- 厂+_ 令讥Ne3 f由此可得介电系数

10、、 折射率的色散关系为n2(丿 k2( ) = r() 2n( ) k()=) 其中r(八J丿分别表示复介电系数的实部 和虚部，”"分别表示材料的折射率和消光系 数。由式(4丿(7丿可以看出.影响材料光学常 数的主要因素有特征频率 八谐振子的固有振 动频率(基频丿。和阻力系数。与吸收有关 的量/丿在 =o处出现极大，远离o时 递减.在高频和低下都趋于0。这表示一种共 振效应，当入射热辐射波的频率与体系的固有 频率相等时.热辐射波与体系的能量交换作用 最大.体系对热辐射波的吸收最强。对于只有 一种固有频率的谐振子,吸收峰只有一个,但实 际上可能有不同频率振荡的谐振子，因此吸收 峰可能有

11、多个。p是材料的一种特征频率通常被称为等 离子体频率。一般地说,所有物体都可能存在 等高子体振荡，只是等离子体频率不同而巳。 当入射热辐射波的频率大于等离子体频率时. 该物质就会显出透明性。虽然洛伦兹色散理论适用于绝缘体和半导 体,但可以推广应用于导体和等离子体对 于导电性良好的金属，由于其内部存在大量自 由电子，电子的束缚力为零故电子的固有振荡 频率也为零，即o=O,而对于等离子体，谐振 子所受的阻尼还可以进一步忽略。最后值得注 意的是，洛伦兹色散理论只适用于线性光学所 以在分析发射率的色散关系时忽略了光学非线 性的影响。33-1光学常数对材料热辐射特性的影响 实际物体的热辐射特性即反射率、

12、吸收率 和发射率等主要取决于热辐射物体本身的光学 特性一 射率”和消光系数4从物体的表 面辐射特性进行电磁理论分析,一般介质相对 理想电介质的镜反射法向单色反射率为01 ；从式可以看出当折射率n = l,消光系 数"0时，材料的反射率为0,而当或 时，反射率达到最大值1。所以要 降低材料的反射率以提高发射率就应该尽量减 小材料对热辐射波的折射以及降低材料的消光 系数。消光系数是表征热辐射波在材料内部衰 减快慢的一个物理量.体现了材料对热辐射波 的吸收能力。对于消光系数很大的材料，热辐 射波在其内部迅速地衰减，材料对热辐射波的 吸收很强.此时热辐射波的穿透深度较小,反之 对于消光系数小

13、的材料,材料对热辐射波的吸 收速度很慢,热辐射波的穿透深度较大。虽然 消光系数很大的材料对热辐射波具有很强的吸 收能力，但这只是针对能够穿透材料表面而射 入材料内部的热辐射波而言的,而不是指全部 投射到材料表面的热辐射波，从式（8丿可以看 出，消光系数很大的材料具有很大的反射率.大 部分的热辐射波被材料表面所反射而只有一 小部分热辐射波能够穿透材料表面而进入物体 内部，因而消光系数大的材料其发射率与吸收 率很小。另外,折射率与消光系数之间还存在一定 的关系根据克喇末朗尼格（KK）变换折 射率可从消光系数在尽可能宽的频率范围内积 分得到，反之亦然。当消光系数非常小时材料 的折射率也就接近于1 此

14、时的反射率很低:如 果材料的消光系数为0,材料对热辐射波无任 何吸收时材料的反射率必然等于0 此材料相 当于透明体热辐射波能够毫无衰减地穿透此 材料。这说明材料对热辐射波的吸收是反射的 前提材料对热辐射波的反射依赖于其对热辐 射波的吸收速度。3.2材料的选择性热辐射机理基于上述洛伦兹阻尼简谐振动近似，以基 频o = lO X10,4Hz,ff度为lcm的材料为例, 当等离子体频率= 100 X1014Hz.®力系数 取0.1 X10,4Hz.tg据文献中相关发射率 的公式对材料的发射率进行数值计算可得材 料发射率（吸收率）的色散关系（随频率的关系） 如图1所示。从图1中的色散曲线可以

15、看出在阻尼谐 振子近似的条件下材料的选择性热辐射可以分 为以下五个区域：（1）o,低频透明区。在 这一区域内，表征吸收的物理量）. r（） 和.（）都随频率减小而趋于0.折射率从静态 的M0丿随频率的增加而增大，呈正常色散.材 料是透明的。（2丿=o 共振强吸收区。在这 一区域内，代表吸收的参量r（丿和丿达 到极大值折射率由正常色散转变为反常色散. 即随频率的增加而减少。（3丿0< V八金 属反射区。在这一区域内，）<0,意味着图1材料发射率的色散关系热辐射波的波矢厂为虚数，也就是说，在此区 域内，热辐射不能在材料中传播。由公式 （6丿和（引可知，在这一区域内灯）（）, 实际上n趋

16、于0,反射率趋于1,材料呈现金属 反射特性。p< < , = c2（2hl）,穿透吸 收区。其中co为真空中的光速，d为材料的厚 度，的意义是在此频率下热辐射波的穿透深 度恰好等于材料的厚度。在这一区域中，与吸 收相关的参量较小，热辐射波能够穿透材料表 面而进入材料内部但不能穿透此材料.即透射 率为0,材料呈吸收特性。（5丿 > 八髙频透明 区。这一区域内表征材料吸收的量都趋于0, 折射率随频率的变化为正常色散，材料再次转 变为透明的。从上述分析可知材料在不同的频率区间 内具有不同的热辐射特性，也即材料具有选择 性热辐射。材料只强烈地吸收频率等于其固有 振动频率的热辐射波，在

17、固有频率和等离子体 频率之间材料呈反射特性，而在其他频率区域 内材料对热埸射波有一定程度的吸收其吸收 的程度取决干材料的厚度以及热辐射波的透射 深度°当材料的厚度大于热辐射波的透射深 度材料的吸收率很高，反之材料的吸收率非 常小。所以影响材料热辐射特性选择性的主要 因素有材料的固有振动频率、材料的等离子体 频率、材料的厚度和热辐射波的透射深度。对 于具有多个固有振动频率的材料，其发射率的 色散曲线会呈现多个吸收峰，此时材料的选择 性热辐射不会很明显。材料的反射特性依赖于 等离子体频率等离子体频率越大反射的频率 区间越大因而材料的反射率也就越大。材料 的厚度和热辐射波的透射深度对热辐射

18、选择性 的影响是相互关联的，如果热辐射波的透射深 度远大于材料的厚度、材料的选择性热辐射就 很明显，例如气体对热辐射具有很强的选择性: 反之材料的选择性热辐射就很弱，比如具有微 米级透射深度的金属材料。另外，从式（4）至式 （7）还可以看出，阻力系数对材料的选择性热辐 射还有很大的影响但对于一般的块状材料除 非材料的微观结构发生改变，阻力系数一般保 持不变。4（1）热辐射波在材料内部的发射、吸收、透 射和反射是热辐射波与材料内部微观粒子振 动所产生的电磁谐振波之间的相互作用过程。 只有当两者具有相同的频率、波矢以及在热辐 射波的作用下材料能形成电偶极矩热辐射波 与材料的能量交换作用才能达到最大体系对 热辐射波的吸收才能最强。（2）降低材料的反射率以提高发射率，就应 该尽量减小材料对热辐射波的折射以及降低材 料的消光系数。当材料对热辐射波无任何吸收 时其反射率必然等于0。材料对热辐射波的 吸收是反射的前提材料对热辐射波的反射依 赖于其对热辐射波的吸收速度。（3）材料只强烈地吸收频率等于其固有振 动频率的热辐射波在固有频率和等离子体