物体的发射率您知道吗？

嘉德利达

2022/09/19 13:43

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‍物体的发射率您知道吗？‍

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人们冬天喜欢晒太阳，而且知道穿黑色或深色衣服（取暖效果比较好）身上会更暖和。在兵器和航天航空等领域，通过在军事设施和武器装备上涂覆特殊的防护层，可以实现雷达及其他探测系统无法识别，从而达到隐身的效果。上述两个完全不相关的应用场景看似没有联系，其实都和一个物理参数—物体发射率有关。前者通过采用一些深色材质即高发射率的布料实现保温（常温下发射率等同于吸收率），后者通过采用一些低发射率的涂层降低军事目标和兵器表面的红外发射率和红外辐射特征，使其不易被红外探测系统探测和识别。那么什么是发射率，又如何表征物体的发射率呢？发射率一般指比辐射率。实际物体的比辐射率定义为：物体的辐射出射度与相同温度相同波长下绝对黑体的辐射出射度的比值。表征了实际物体的热辐射与黑体热辐射的接近程度[1]。它是一个比较复杂的物理量,不仅跟波长和温度有关,而且还与材料表面的粗糙度、氧化程度以及表面杂质和涂层有关,所以建立一个涵盖各种材料的发射率数据库非常困难。发射率可分为半球发射率、光谱发射率、定向发射率等,不同的发射率有不同的测量方法。其中在诸多测量方法中，主要是采用反射法和能量法。反射法的依据是能量守恒和基尔霍夫定律，当一束能量为Q的光束通过某一材料表面，会出现光束吸收Qa、反射Qr和透射Qt的现象。根据能量守恒定律，吸收能量、反射能量与透射能量相加即为入射能量；对于不透明材料，其透射率为0，反射率与吸收率之和为1，再根据基尔霍夫定律(α=ɛ)即可得到材料的发射率。该方法主要是针对常温样品发射率的测试。那什么是黑体呢？黑体（Black body），是一个理想化的物体，它能够吸收外来的全部电磁辐射，并且不会有任何的反射与透射。换句话说，黑体对于任何波长的电磁波的吸收系数为1，透射系数为0。物理学家以此作为热辐射研究的标准物体。它能够完全吸收外来的全部电磁辐射，并且不会有任何的反射与透射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。黑体不一定是黑色的（例如太阳在某种情况下就可以看做黑体），即使它没办法反射任何的电磁波，它也可以放出电磁波来，而这些电磁波的波长和能量则全取决于黑体的温度，不因其他因素而改变。1901年德国物理学家马克.普朗克在量子论基础上建立了黑体辐射公式，图1 （中）为1901年普朗克。

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反射法最常用的就是积分球法。积分球法不仅可以测量诸如薄膜、纸张、涂层、粉末等样品反射率，还可以用于测量一些薄膜类样品的透射率。图2为布鲁克公司A562积分球[2]，可以用于薄膜、纸张、粉末、涂层等样品的反射率和透射率的测试。对于近红外或可见波段也有对应积分球可选。此外，对于具有镜面反射的样品，可以用其他发射附件测量。

对于高温样品发射率测试，最常用的是能量比较的方法，根据发射率的定义通过直接比较温度均匀并稳定的条件下样品的辐射与相同温度下的黑体辐射测量待测样品的发射率。测量原理如图3所示。能量比较法可以通过各种手段来实现，这些手段取决于样品的类型以及想要的光谱和温度范围。这些方法的不同之处在于参考黑体的种类和样品加热方式，样品周围环境以及获得具有光谱分辨和角度分辨的发射率。通常情况下将黑体稳定在与样品相同的温度下，也可以在二者处于不同温度下比较样品和黑体，以便实现两者在大致相等的总辐射水平下的测量。

根据普朗克黑体辐射定律对于一个理想黑体辐射源，其光谱辐射亮度可以由下式所示：

关于具体公式推导我们就不在此赘余，感兴趣的朋友可以查阅相关书籍了解，最终我们可以通过测量样品和标准黑体的辐射亮度就可以得到待测样品的发射率。

布鲁克可用于发射率测量的红外光谱仪主要有Invenio系列和Vextex70V/80V系列。Invenio系列定位于研究级常规傅立叶红外光谱仪，最高分辨率可以达到0.085cm-1,可覆盖波段范围28000cm-1到15cm-1,可以实现紫外到远红外波段的测试。Vextex70V/80V系列定位于研究级真空傅立叶红外光谱仪，80V最高可以实现0.06cm-1可以对样品腔和光学腔抽真空,完全去除大气中水汽和二氧化碳对测量样品的影响,可覆盖波段范围50000cm-1到10cm-1, 完全覆盖整个紫外和远红外波段。关于黑体发射系统，我们可根据客户需求提供室温到500℃，500℃到1000℃或更高温度的手动或自动黑体发射方案，可以完成薄膜、涂层或粉末样品的高温发射率测试。更多测试需求请联系我们。