利用穩態卡計法設計了一種測試材料半球發射率的試驗裝置，并對其進行了不確定度分析。使用該裝置對二次表面鏡（OSR）的室溫半球發射率進行了測試，測試結果不確定度小于2.00％。同時，使用該裝置測試了OSR與一種新型相變材料在190～350K間的半球發射率。

1、引言

　　半球發射率是固體材料的一個重要物理性能參數，它體現了材料在特定溫度下相對黑體的輻射能力。材料半球發射率的測試方法包括卡計法和光學方法。其中卡計法又包括瞬態卡計法和穩態卡計法。瞬態卡計法能在較短的時間內連續測量樣品在不同溫度條件下的發射率，但在測試中要求樣品的導熱性好，以保證在冷卻過程中樣品內部沒有溫度梯度。因而，用其測試低熱導率材料的半球發射率較為困難。此外，采用瞬態卡計法需獲取材料在不同溫度下的比熱容，然而許多新型的衛星熱控材料的熱力學參數非常缺乏，這也限制了瞬態卡計法的應用。而穩態卡計法克服了測試過程對材料導熱系數與比熱容的苛刻要求，測試精度較高，測試溫區寬，應用較為廣泛。為了測試材料在不同溫度條件下尤其是在低溫下的半球發射率，作者介紹了一臺基于穩態卡計法的半球發射率測試裝置。利用該測試裝置的測試結果，可方便地計算出材料的半球發射率，測試與計算較簡單。作者使用該裝置完成了對二次表面鏡（OSR）及一種新型相變熱控材料的半球發射率的測試。

2、測試原理

　　采用穩態卡計法測量材料半球發射率。假設樣品的半球發射率εh等于半球吸收率，當樣品溫度達到熱平衡時，有如下關系式

　　式中σ為斯蒂芬－波爾茲曼常數；As為樣品的表面積；Ts和Tw分別為樣品與測試室內壁的溫度；Q為加熱器的加熱功率；Qw為樣品通過引線的熱損；Qg為測試室內由殘余氣體引起的熱損；Qr為樣品與測試室內壁多次反射樣品吸收的能量。

　　在測試過程中，測試室內維持高真空，且測試室內表面積遠大于樣品表面積，因而，Qg與Qr可以忽略不計；由于采用的加熱絲及引線直徑都較細，故可忽略引線的熱損Qw。通過測量加熱器的加熱功率Q、樣品溫度Ts 與測試室內壁溫度Tw以及樣品的表面積As，采用公式（2）計算材料的半球發射率εh

3、試驗裝置

　　測試系統簡圖如圖1所示。該系統主要由內部裝有測試室的絕熱容器、真空系統、直流穩壓電源、數字電壓表、樣品單元等組成。測試室內壁尺寸為Φ250 mm×280mm，表面涂有一層亞光黑漆（εh≈0.90）。測試時在絕熱容器中添加制冷工質。真空系統由旋片機械泵及油擴散泵組成，真空度維持在1×10^-3Pa。樣品單元如圖2 所示，由兩片相同的樣品（40.0mm×40.0mm×0.5mm）和一個加熱片（40.0mm×40.0mm×0.2mm）組成。采用銅-康銅熱電偶測量樣品溫度，熱電偶與加熱絲的直徑均為0.16 mm。采用長春電器儀表廠的WYJ 型直流穩壓電源提供加熱電流。采用7071 型數字電壓表測量熱電偶熱電勢。

1.絕熱容器；2.測試室；3.樣品單元；4.穩壓電源；5.數字電壓表；6.真空機組

圖1 試驗裝置示意圖

1.加熱絲；2.熱電偶；3.樣品；4.加熱器

圖2 樣品單元示意圖

4、試驗

　　使用該測試裝置測試了鈰玻璃二次表面反射鏡（OSR）和一種相變材料在不同溫度下的半球發射率。測試前先測量樣品的表面積并將熱電偶固定在樣品表面，然后將樣品單元裝入真空室，開啟真空機組，當真空度達到1×10^-3Pa 時，向絕熱容器中注入液氮。待內腔體溫度穩定時，開始測量并記錄數據。由公式（2）計算半球發射率，并將所計算數據與文獻值進行比對。

5、結果與討論

　　該測試裝置的不確定度主要來源于樣品尺寸測量、樣品溫度測量、真空環境溫度測量及加熱功率測量、引線熱損五方面。樣品采用不確定度為0.01 mm 的數顯卡尺測量，其不確定度小于0.05%；熱電偶的不確定度小于0.20%；引線熱損引起的不確定度小于1.00%；功率測量引起的不確定度小于1.00%。因而，總的測量不確定度小于2.50%。

　　該測試裝置所測量OSR 的室溫半球發射率與真空技術網上另文提供的值的比較如表1 所列。可以看出，該裝置的室溫測試值與文獻值間的誤差小于2.00%，該裝置能夠較為準確的測量出材料的半球發射率。

表1 OSR的室溫測試值比較

　　表2 是使用該裝置對不同溫度下OSR 及一種相變材料的半球發射率測試值。由表2 可以看出，OSR 的發射率隨溫度升高逐漸減小，且在190～350 K 間變化較小，降幅為0.08；而相變材料的發射率隨溫度升高逐漸增加，且變化較為明顯，尤其是在230～270K間，增幅達到0.17，在整個測試溫區內，半球發射率增幅超過60％。這主要是因為該材料在低溫下處于金屬相，表現出金屬的熱輻射特性，具有較低的發射率值，可減少熱輻射，保存熱量；溫度較高時，該材料表現出絕緣體的熱輻射特性，具有較高的發射率值，可增強輻射換熱，散失多余熱量。

表2 不同溫度下OSR與相變材料的半球發射率

6、結論

　　作者設計了一種測試材料半球發射率的試驗裝置，并對該裝置的測試不確定度進行了分析。測試結果表明，該裝置能夠較準確地測試材料室溫下的半球發射率，測試不確定度小于2.00％。同時，利用該裝置也測試了OSR 及一種相變材料在190～350K間的半球發射率。OSR 的半球發射率隨溫度升高呈減小趨勢，且減小緩慢，為0.08；相變材料的半球發射率隨溫度升高而增大，在230～273 K 間增加明顯，且在整個測試溫區內，其增幅超過60%，是一種較好的熱控材料。