第04章實際材料的輻射性質

1、2022-7-71第四章實際材料的輻射性質2022-7-724-1 引言電磁理論對電磁理論對光學上光滑光學上光滑表面輻射性質表面輻射性質的計算結果與實際材料的表面測量結的計算結果與實際材料的表面測量結果差別較大。實際測量在表面輻射性果差別較大。實際測量在表面輻射性質研究必不可少。質研究必不可少。實際材料熱輻射性質隨波長、溫度、實際材料熱輻射性質隨波長、溫度、粗糙度、發(fā)射方向等的變化。粗糙度、發(fā)射方向等的變化。絕緣材料、半導體、金屬、涂層。絕緣材料、半導體、金屬、涂層。2022-7-734-2 金屬材料的輻射特性金屬發(fā)射的總體特性金屬發(fā)射的總體特性:純凈光滑的金屬表面一般發(fā)射率和吸純凈光滑的金屬

2、表面一般發(fā)射率和吸收率均低，因而反射率較高。收率均低，因而反射率較高。金屬發(fā)射特性的影響因素金屬發(fā)射特性的影響因素:(1)發(fā)射方向發(fā)射方向 (6)熔融金屬熔融金屬(2)波長波長(3)表面溫度表面溫度(4)表面粗糙度表面粗糙度(5)表面雜質表面雜質,表面涂層表面涂層2022-7-744-2 金屬材料的輻射特性純凈光滑的金屬表面一純凈光滑的金屬表面一般發(fā)射率和吸收率均般發(fā)射率和吸收率均低，因而反射率較高。低，因而反射率較高。金屬具有低發(fā)射率的例金屬具有低發(fā)射率的例外：當外：當波長變短波長變短時，時，光譜發(fā)射率可以增加光譜發(fā)射率可以增加到到0.5或更大，或者當或更大，或者當溫度升高溫度升高時發(fā)射率變

3、時發(fā)射率變得較大。得較大。2022-7-754-2-1 方向上的變化磨光金屬表面除磨光金屬表面除90度附近外，方向發(fā)射率隨度附近外，方向發(fā)射率隨天頂角增加而增大。已被電磁理論預測到。天頂角增加而增大。已被電磁理論預測到。鉑金屬。鉑金屬。2022-7-764-2-1 方向上的變化：磨光鈦磨光金屬表面除磨光金屬表面除90度附近外，度附近外，方向發(fā)射率隨方向發(fā)射率隨天頂角增加而天頂角增加而增大。增大。對短波可能有偏對短波可能有偏差。右圖磨光差。右圖磨光鈦的方向光譜鈦的方向光譜發(fā)射率。發(fā)射率。2022-7-774-2-2 波長的影響金屬的光譜發(fā)射金屬的光譜發(fā)射率在紅外區(qū)域率在紅外區(qū)域隨波長的減小隨波長

4、的減小而增加。而增加。圖中銅曲線是例圖中銅曲線是例外，其發(fā)射率外，其發(fā)射率隨波長相對地隨波長相對地保持不變。保持不變。2022-7-784-2-2 波長的影響在波長很短時，電在波長很短時，電磁理論預測失效。磁理論預測失效。絕大多數(shù)金屬在絕大多數(shù)金屬在在靠近可見光的在靠近可見光的某處有一個最大某處有一個最大發(fā)射率，而后隨發(fā)射率，而后隨著波長的進一步著波長的進一步減少，發(fā)射率進減少，發(fā)射率進一步降低，如右一步降低，如右圖的鎢金屬發(fā)射圖的鎢金屬發(fā)射率特性。率特性。2022-7-794-2-3 表面溫度的影響Hagen-Rubens關系式：關系式：2/10,/003. 022)(eenrrn在大多數(shù)情

5、況下，純在大多數(shù)情況下，純金屬的光譜發(fā)射率金屬的光譜發(fā)射率象電阻率一樣隨溫象電阻率一樣隨溫度的增加而增大。度的增加而增大。在短波，溫度的影在短波，溫度的影響正相反，光譜發(fā)響正相反，光譜發(fā)射率隨溫度的增加射率隨溫度的增加而減小。而減小。不同溫度下鎢金屬的半球光譜發(fā)射率不同溫度下鎢金屬的半球光譜發(fā)射率 計算值與實驗值比較計算值與實驗值比較2022-7-7104-2-3 表面溫度的影響在大多數(shù)情況下，純在大多數(shù)情況下，純金屬的光譜發(fā)射率金屬的光譜發(fā)射率象電阻率一樣隨溫象電阻率一樣隨溫度的增加而增大。度的增加而增大。原因是，隨著溫度的原因是，隨著溫度的增加，黑體輻射曲增加，黑體輻射曲線的最大值向短波線

6、的最大值向短波方向移動，因此，方向移動，因此，在較高的光譜發(fā)射在較高的光譜發(fā)射率區(qū)相應地有更多率區(qū)相應地有更多的輻射被發(fā)射出去，的輻射被發(fā)射出去，這樣導致總發(fā)射率這樣導致總發(fā)射率的增加。的增加。絕緣材料氧化鎂發(fā)射率絕緣材料氧化鎂發(fā)射率隨溫度的增加而降低。隨溫度的增加而降低。2022-7-7114-2-3 表面溫度的影響：低溫工程在深冷低溫工程中，在深冷低溫工程中，缺乏輻射特性的實缺乏輻射特性的實驗數(shù)據。尤其缺乏驗數(shù)據。尤其缺乏長波下在此溫度下長波下在此溫度下的發(fā)射特性。的發(fā)射特性。右圖為一些理論預測右圖為一些理論預測和實驗結果對比，和實驗結果對比，銅金銀的發(fā)射率實銅金銀的發(fā)射率實驗值并未減小到

7、理驗值并未減小到理論預測的這樣小。論預測的這樣小。2022-7-7124-2-4 表面粗糙度的影響表面粗糙和表面雜質或涂層，是造成表面粗糙和表面雜質或涂層，是造成與電磁理論計算結果偏離的主要原因。與電磁理論計算結果偏離的主要原因。光學粗糙度定義：光學粗糙度定義：o/，特征粗糙度，特征粗糙度，均方根均方根rms值。值。光學上光滑表面：光學上光滑表面： o/1光學上奇異表面：光學上奇異表面： o/12022-7-713波長與粗糙度的比較2022-7-7144-2-4 表面粗糙度影響的理論計算應用分析方程計算輻射性質的一個主應用分析方程計算輻射性質的一個主要障礙是如何精確定義表面的特性，要障礙是如何

8、精確定義表面的特性，目前還沒有一種普遍承認的、能準確目前還沒有一種普遍承認的、能準確描述表面特性的方法。描述表面特性的方法。2022-7-7154-2-4光學上光滑表面：發(fā)射率對光滑表面，對光滑表面，由由(a)圖看圖看到，粗糙到，粗糙度變化度變化2到到16時，時，發(fā)射率變發(fā)射率變化了一個化了一個很小的值。很小的值。2022-7-7164-2-4光學上光滑表面：粗糙度對方向特性與法線成與法線成10度入度入射，鎳表面，射，鎳表面，縱坐標為測量縱坐標為測量發(fā)射率與磨光發(fā)射率與磨光表面的反射率表面的反射率之比值。反映之比值。反映的是粗糙度對的是粗糙度對方向特性的影方向特性的影響，而不是對響，而不是對反

9、射率的影響。反射率的影響。2022-7-7174-2-5 表面雜質的影響雜質指任何污染。最普遍的是外來材雜質指任何污染。最普遍的是外來材料的沉積薄層。料的沉積薄層。金屬表面的污染常使發(fā)射率提高。金屬表面的污染常使發(fā)射率提高。表面覆蓋層的結構對基體的輻射行為表面覆蓋層的結構對基體的輻射行為有很大影響。有很大影響。2022-7-7184-2-5 表面雜質的影響：氧化氧化使金氧化使金屬表面屬表面使發(fā)射使發(fā)射率提高。率提高。2022-7-7194-2-5 表面雜質的影響：氧化氧化使鈦氧化使鈦金屬的金屬的發(fā)射率發(fā)射率比純凈比純凈材料的材料的幾乎提幾乎提高了一高了一倍。倍。0.06 微微 米米 氧氧 化化

10、 層層 厚厚2022-7-7204-2-5 表面雜質的影響：不銹鋼氧化2022-7-7214-2-5 表面雜質的影響：銅氧化厚度2022-7-7224-2-5 表面雜質的影響：銅氧化隨光譜2022-7-7234-2-5 表面雜質的影響：鋁氧化2022-7-7244-2-5 表面覆蓋層的影響影響很大，影響很大，圖為涂有圖為涂有硫化鋁的硫化鋁的鋁的半球鋁的半球光譜發(fā)射光譜發(fā)射率，長波率，長波段內，涂段內，涂層有無兩層有無兩者差一倍。者差一倍。2022-7-7254-2-6 熔融金屬總發(fā)射總發(fā)射率與率與溫度溫度的關的關系不系不大。大。2022-7-726熔融金屬發(fā)射率表2022-7-7274-3 非

11、金屬材料的輻射特性在中等溫度下有較高的發(fā)射率和吸收在中等溫度下有較高的發(fā)射率和吸收率。方向發(fā)射率隨與表面法線所成的率。方向發(fā)射率隨與表面法線所成的角度的增加而減少，與波長的相關性角度的增加而減少，與波長的相關性較小。非金屬的輻射特性與溫度的相較小。非金屬的輻射特性與溫度的相關性關性 也不大。也不大。2022-7-7284-3 非金屬材料的輻射特性2022-7-7294-3 非金屬材料的輻射特性非金屬材料的輻射特性測量數(shù)據較少。在中非金屬材料的輻射特性測量數(shù)據較少。在中等溫度下有較高的發(fā)射率和吸收率。等溫度下有較高的發(fā)射率和吸收率。非金屬發(fā)射特性的影響因素非金屬發(fā)射特性的影響因素:(1)波長波長

12、: 總體上看變化不大總體上看變化不大(2)表面溫度表面溫度:總體上看變化不大總體上看變化不大(3)表面粗糙度表面粗糙度: 非鏡面發(fā)射非鏡面發(fā)射(4)表面雜質表面雜質 (5)光譜選擇性表面光譜選擇性表面: 太陽能太陽能(6)表面方向特性的改變表面方向特性的改變: 特殊用途特殊用途2022-7-730涂層厚度要足夠測量涂層材測量涂層材料的發(fā)射料的發(fā)射率，必須率，必須使涂層具使涂層具有足夠的有足夠的厚度，使厚度，使從基片發(fā)從基片發(fā)射的能量射的能量不穿透涂不穿透涂層。層。2022-7-7314-3-1 非金屬材料光譜測量鋼表面鋼表面3 3種油漆涂層的半種油漆涂層的半球法向光譜反射率。球法向光譜反射率。

13、1 1減去反射率等于法減去反射率等于法向光譜發(fā)射率。向光譜發(fā)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，黑油漆在整個波段反射率較低，個波段反射率較低，鋁化油漆由于有更多鋁化油漆由于有更多的金屬涂層，所以反的金屬涂層，所以反射率較高，并且這種射率較高，并且這種鋁化油漆與波長關系鋁化油漆與波長關系不大，可以看作不大，可以看作“灰灰”表面。表面。2022-7-7324-3-1 非金屬材料光譜測量有些非金屬材料，在有些非金屬材料，在可見光的短波段，可見光的短波段，反射率可能顯著降反射率可能顯著降低。低。這一特點在研究特殊這一特點在研究特殊的非金屬涂層對來的非金屬涂層對來自高

14、溫源的反射輻自高溫源的反射輻射的適應性時是很射的適應性時是很重要的，因為高溫重要的，因為高溫時能量處在短波段。時能量處在短波段。2022-7-7334-3-1 絕緣材料反射光譜特性在可見光段，在可見光段，某些材料某些材料的低反射的低反射率對吸收率對吸收很重要。很重要。如太陽能。如太陽能。2022-7-7344-3-2 非金屬總輻射特性隨溫度變化隨溫度增加，有增隨溫度增加，有增高、有降低。高、有降低。氧化鎂耐火材料的氧化鎂耐火材料的發(fā)射率隨溫度的發(fā)射率隨溫度的升高而明顯降低。升高而明顯降低。石墨上的碳化硅涂石墨上的碳化硅涂層發(fā)射率隨溫度層發(fā)射率隨溫度的增加而升高，的增加而升高，部分原因可能是部分

15、原因可能是因為基體石墨的因為基體石墨的發(fā)射率隨溫度增發(fā)射率隨溫度增加而升高。加而升高。2022-7-7354-3-2 非金屬總輻射特性隨溫度變化氧化鋁和氧化鋯材氧化鋁和氧化鋯材料的發(fā)射率隨溫料的發(fā)射率隨溫度的升高而明顯度的升高而明顯降低。降低。2022-7-7364-3-2 非金屬總輻射特性隨溫度變化白紙和白大理石，對白紙和白大理石，對低溫下的黑體輻射低溫下的黑體輻射源來說，是一個好源來說，是一個好的吸收體，但對于的吸收體，但對于數(shù)千溫度下黑體發(fā)數(shù)千溫度下黑體發(fā)射的光譜來說卻是射的光譜來說卻是一個差的吸收體，一個差的吸收體，即對太陽光能量是即對太陽光能量是一個好的反射體。一個好的反射體。瀝青路

16、面和灰石板可瀝青路面和灰石板可以很好地吸收太陽以很好地吸收太陽能。能。2022-7-7374-3-3 表面粗糙度影響Snell定律，但一般而言，粗糙度使反射強度分布在定律，但一般而言，粗糙度使反射強度分布在鏡反射方向附近的一個相當大的角度范圍內，所鏡反射方向附近的一個相當大的角度范圍內，所以下圖打字紙的表面光度并不是理想的。以下圖打字紙的表面光度并不是理想的。2022-7-7384-3-3 表面粗糙度影響：非鏡反射的3D說明一般而言，一般而言，絕緣材料的絕緣材料的發(fā)射率隨粗發(fā)射率隨粗糙度增加稍糙度增加稍有增加。有增加。2022-7-7394-3-3 表面粗糙度影響右圖，有非鏡反右圖，有非鏡反射

17、的最大值。射的最大值。2022-7-7404-3-3 表面粗糙度影響圖中月球表面強烈的反向圖中月球表面強烈的反向散射，造成了月球的中散射，造成了月球的中心和邊緣的亮度相同，心和邊緣的亮度相同，同時造成了在十五滿月同時造成了在十五滿月時亮度達到最大。時亮度達到最大。2022-7-7414-3-4 半導體和超導體的性質硅半導體的法向光譜發(fā)射率，類似于磨光金硅半導體的法向光譜發(fā)射率，類似于磨光金屬：發(fā)射率隨波長的減小而增加，在較短屬：發(fā)射率隨波長的減小而增加，在較短波長出現(xiàn)一個最大值。但總體上比金屬向波長出現(xiàn)一個最大值。但總體上比金屬向長波方向移動了，比如圖中最大值出現(xiàn)在長波方向移動了，比如圖中最大

18、值出現(xiàn)在紅外區(qū)。紅外區(qū)。2022-7-7424-4 光譜選擇表面工程意義重大：工程意義重大： v如太陽能收集器。希望表面上維持最大如太陽能收集器。希望表面上維持最大可能的平衡溫度，表面收集能量的能力可能的平衡溫度，表面收集能量的能力最大，損失最小。最大，損失最小。v太空中的散熱表面，希望保持該表面的太空中的散熱表面，希望保持該表面的冷態(tài)。則要求對太陽的反射最大，同時冷態(tài)。則要求對太陽的反射最大，同時表面輻射發(fā)射也最大。表面輻射發(fā)射也最大。2022-7-7434-4-1 表面光譜特性的變更：光譜選擇表面出現(xiàn)吸收率急劇出現(xiàn)吸收率急劇下降的波長稱為下降的波長稱為截止波長。截止波長。c光譜選擇性表面：

19、在太陽能峰值附近的短波光譜區(qū)光譜選擇性表面：在太陽能峰值附近的短波光譜區(qū)有很大的吸收率，但在出現(xiàn)自身發(fā)射峰值的長波有很大的吸收率，但在出現(xiàn)自身發(fā)射峰值的長波光譜區(qū)吸收率很?。窗l(fā)射率很?。?。這樣它的光譜區(qū)吸收率很?。窗l(fā)射率很?。＿@樣它的吸收就可能接近于黑體而發(fā)射的能量卻很小。吸收就可能接近于黑體而發(fā)射的能量卻很小。2022-7-7444-4-1 表面光譜特性的變更：光譜選擇表面制造方法之一：金屬基片上涂覆非金屬薄層。制造方法之一：金屬基片上涂覆非金屬薄層。薄層對于長波輻射基本上是透明的，光譜薄層對于長波輻射基本上是透明的，光譜吸收率和發(fā)射率都很低。但是，對于短波，吸收率和發(fā)射率都很低。但是

20、，對于短波，薄層輻射性質接近于非金屬涂層，光譜吸薄層輻射性質接近于非金屬涂層，光譜吸收率和發(fā)射率都很高。收率和發(fā)射率都很高。一個理想的太陽能收集器的光譜選擇性表面一個理想的太陽能收集器的光譜選擇性表面應該是：吸收最大的太陽能而發(fā)射的能量應該是：吸收最大的太陽能而發(fā)射的能量最小。即在整個短波內吸收率為最小。即在整個短波內吸收率為1，在長，在長波區(qū)吸收率立即降低為波區(qū)吸收率立即降低為0。2022-7-7454-4-1 光譜選擇表面，理想表面例1例：一理想的選擇性表面受到相應于例：一理想的選擇性表面受到相應于平均太陽常數(shù)為平均太陽常數(shù)為q qi i=1353w/m=1353w/m2 2的法的法向入射

21、輻射通量的照射。向該表面?zhèn)飨蛉肷漭椛渫康恼丈?。向該表面?zhèn)鳠峄驈脑摫砻鎮(zhèn)鞒鰺崃康奈ㄒ皇侄问菬峄驈脑摫砻鎮(zhèn)鞒鰺崃康奈ㄒ皇侄问禽?射 。 試 決 定 相 應 于 截 止 波 長輻 射 。 試 決 定 相 應 于 截 止 波 長 c c=1m=1m的最大平衡溫度的最大平衡溫度T Teqeq（從太陽（從太陽到達的能量可以假設為光譜分布與到達的能量可以假設為光譜分布與5780K5780K的黑體的光譜分布成比例）。的黑體的光譜分布成比例）。c2022-7-7464-4-1光譜選擇表面，例12022-7-7474-4-1光譜選擇表面，例1解：解：因為輻射傳熱是唯一的能量傳遞手段，因為輻射傳熱是唯一的能量傳遞

22、手段，所以吸收的輻射能必定等于發(fā)射的輻所以吸收的輻射能必定等于發(fā)射的輻射能。因為表面為理想的選擇吸收體，射能。因為表面為理想的選擇吸收體，所以其半球發(fā)射率和吸收率為所以其半球發(fā)射率和吸收率為()=()=1 0=c()=()=0 c=無窮大無窮大2022-7-7484-4-1光譜選擇表面，例1每單位時間表面所吸收的能量為每單位時間表面所吸收的能量為Qa=F0-c(Ti)qiA每單位時間表面所發(fā)射的能量為每單位時間表面所發(fā)射的能量為Qe=F0-c(Teq)Teq4A兩者相等，得兩者相等，得Teq4 F0-c(Teq)= F0-c(Ti)qi/ 2022-7-7494-4-1光譜選擇表面，例1編程迭

23、代求解上式，得下面結果：編程迭代求解上式，得下面結果：)T(Fq)T(FTi0ieq04eqcc5 . 12 . 10 . 18 . 06 . 0mc，截止波長39610501190134015301820KTeq，平衡溫度2022-7-750理想光譜選擇表面平衡溫度與截止波長關系：最新2022-7-751SiCSiC法向光譜反射率隨波長變化圖材料法向光譜反射率隨波長變化圖材料法向光譜反射率隨波長變化圖2022-7-7524-4-2 穿過玻璃的選擇性透射石英玻璃的光譜透石英玻璃的光譜透射率。射率。選擇性：在兩個穩(wěn)選擇性：在兩個穩(wěn)定的截止波長范定的截止波長范圍內透射率很高，圍內透射率很高，一旦超出，則普一旦超出，則普通玻璃變成了高通玻璃變成了高吸收體，透射率吸收體，透射率迅速降到零，同迅速降到零，同時也是好的發(fā)射時也是好的發(fā)射體了。體了。2022-7-7