匡 鵬， 李益文， 魏小龍， 武 欣， 宣遠(yuǎn)勃， 朱 鍵

(1.空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院， 西安， 710038； 2.94816部隊(duì)， 福州， 350000)

紅外低發(fā)射率涂層涂覆在目標(biāo)物體表面而改變其紅外輻射特性，大致分為金屬微粉涂層、金屬薄膜與無(wú)機(jī)紅外低發(fā)射率涂層3類[1]。紅外低發(fā)射率涂層在應(yīng)用中容易產(chǎn)生鼓泡、脫落、磨損、劃傷、積污等問(wèn)題，對(duì)其長(zhǎng)時(shí)使用壽命和發(fā)射率性能產(chǎn)生影響[2-3]。文獻(xiàn)[4]建立了紅外隱身涂層失效的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并且根據(jù)Arrhenius公式研究了涂層壽命的估算方法。為了保證紅外低發(fā)射率涂層具有較長(zhǎng)的使用壽命，需要對(duì)紅外低發(fā)射率涂層在使用過(guò)程中的性能狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)測(cè)量評(píng)估。而低發(fā)射率涂層噴涂在設(shè)備上之后，只能對(duì)其進(jìn)行原位在線測(cè)量。

紅外發(fā)射率測(cè)量方法主要可以分為直接法和間接法，其中直接法有量熱法[5-7]、能量法[8-10]、多波長(zhǎng)法[11-12]等，間接法則主要為反射法[13]。而多數(shù)發(fā)射率測(cè)量方法只能用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，為了實(shí)現(xiàn)在物體表面直接的原位發(fā)射率測(cè)量，多采用多波長(zhǎng)法或用反射器模擬黑體的方法[14]?；诜e分球反射計(jì)的便攜式發(fā)射率測(cè)量?jī)x具有體積小、測(cè)量環(huán)境要求不高、發(fā)射率精度較好等優(yōu)點(diǎn)[15]。此外，楊立[16]、曹義[17]、李巖峰[18]等人推導(dǎo)了采用紅外熱像儀測(cè)量目標(biāo)發(fā)射率的原理，并設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法。而便攜式紅外熱像儀具有非接觸式、操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)快速、使用便攜等優(yōu)點(diǎn)，適用于目標(biāo)發(fā)射率原位測(cè)量。本文探索采用便攜式發(fā)射率測(cè)量?jī)x和便攜式紅外熱像儀2種方式對(duì)失效紅外低發(fā)射率涂層進(jìn)行原位測(cè)量。

1 實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)備

1.1 便攜式發(fā)射率測(cè)量?jī)x測(cè)量方法

基于能量守恒定律和基爾霍夫定律，在熱平衡條件下，低發(fā)射率涂層表面光譜發(fā)射率的表達(dá)式為：

ε(λ)=α(λ)=1-ρ(λ)

(1)

因而，由能量守恒定律及基爾霍夫定律，通過(guò)對(duì)物體反射率ρ(λ)進(jìn)行測(cè)量，即可得出其表面發(fā)射率ε(λ)數(shù)值。

基于積分球反射法的便攜式發(fā)射率測(cè)量?jī)x主要由紅外輻射源、斬波器、積分球光學(xué)模塊、探測(cè)單元等組成。紅外陶瓷光源發(fā)射連續(xù)輻射，經(jīng)過(guò)斬波后被調(diào)制成特定檢測(cè)頻率的脈沖輻射，并以法向8°夾角通過(guò)入射孔投射到材料表面，反射后的輻射被積分球收集，多次反射后均勻分布于積分球內(nèi)壁。出射孔上固定的測(cè)量反射鏡，將探測(cè)立體角內(nèi)的輻射反射進(jìn)入探測(cè)器，探測(cè)器檢出反射輻射能量，與參考標(biāo)準(zhǔn)反射樣品的反射能量相比，得到試樣的反射率。

圖1 積分球示意圖

探測(cè)器將輻射能量轉(zhuǎn)換為成比例的電壓信號(hào)，可以得到低發(fā)射率涂層及標(biāo)準(zhǔn)試樣的電壓信號(hào)表達(dá)式分別為：

VS(λ)=S(λ)·A(D,ρ)·ρS(λ)·L(λ)

(2)

Vb(λ)=S(λ)·A(D,ρ)·ρb(λ)·L(λ)

(3)

式中:A(D,ρ)為積分球常數(shù)，與積分球的直徑D和內(nèi)壁涂層反射率ρ有關(guān)；S(λ)為探測(cè)器的光譜響應(yīng)函數(shù)，單位為V·μm·m2·sr·W-1；L(λ)為紅外陶瓷光源輻射亮度，單位為W·m-2·sr-1·μm-1；ρS(λ)、ρb(λ)分別為材料和標(biāo)準(zhǔn)試樣的表面反射率。

通過(guò)相同條件下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣和低發(fā)射率涂層的兩次測(cè)量，可以得到材料表面反射率為：

(4)

將式(4)代入式(1)可得，發(fā)射率的量值傳遞函數(shù)為：

(5)

1.2 便攜式紅外熱像儀發(fā)射率測(cè)量方法

文獻(xiàn)[16]、[18]通過(guò)分析紅外熱像儀接收的有效輻亮度，根據(jù)普朗克輻射定律積分得到波段內(nèi)熱像儀的輻射響應(yīng)與溫度的關(guān)系，并用f(T)≈CTn對(duì)該關(guān)系近似擬合，得到真實(shí)溫度和輻射溫度關(guān)系式(6)，進(jìn)一步可以得到發(fā)射率的計(jì)算公式(7)。

(6)

(7)

式中：ε為樣品表面發(fā)射率；Tr為熱像儀發(fā)射率設(shè)置為1時(shí)所測(cè)得的輻射溫度；T0為物體表面的真實(shí)溫度；Tu為環(huán)境溫度；n為與熱像儀工作波段有關(guān)的指數(shù)，當(dāng)其工作在8～14 μm時(shí)約為4。以上溫度單位均為K。

2 實(shí)驗(yàn)

測(cè)試樣品為鍍于鈦合金表面的紅外低發(fā)射率涂層，該涂層常用溫度范圍為室溫至70 ℃，最高可在200 ℃下穩(wěn)定工作較長(zhǎng)時(shí)間。根據(jù)涂層在使用中可能遇到的損傷情況，在試樣表面設(shè)置6個(gè)區(qū)域，分別為對(duì)照區(qū)、脫落區(qū)、積污區(qū)、0.1 mm劃痕區(qū)、0.5 mm劃痕區(qū)、1 mm劃痕區(qū)，分別將這6個(gè)區(qū)域標(biāo)記為1、2、3、4、5、6。在每個(gè)劃痕區(qū)域中設(shè)置3個(gè)不同的等距劃痕區(qū)，劃痕間距Δ分別為2 mm、4 mm、6 mm，例如4區(qū)為0.1 mm劃痕區(qū)，4-2、4-4、4-6分別表示劃痕間距Δ為2 mm、4 mm、6 mm，試樣如圖2所示。通過(guò)溫控設(shè)備在30～70 ℃之間設(shè)置5個(gè)溫度，對(duì)試樣進(jìn)行整體均勻加熱。分別使用便攜式發(fā)射率測(cè)量?jī)x、紅外熱像儀對(duì)同一溫度下的6個(gè)區(qū)域進(jìn)行發(fā)射率測(cè)量。

圖2 試樣

儀器與實(shí)驗(yàn)情況見(jiàn)圖3。使用便攜式發(fā)射率測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量時(shí)，先測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)反射片進(jìn)行標(biāo)定，而后測(cè)量背景發(fā)射率，再對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)量，如圖3(a)所示。對(duì)多次測(cè)量結(jié)果取平均值，將平均值作為發(fā)射率數(shù)值進(jìn)行分析。

圖3 測(cè)量?jī)x與實(shí)驗(yàn)示意圖

便攜式紅外熱像儀型號(hào)為Testo 882，該熱像儀主要技術(shù)參數(shù)為：工作波段為8～14 μm，分辨率為320×240，測(cè)量溫度范圍為-20～350 ℃，溫度分辨率為0.06 ℃，圖3(b)為實(shí)驗(yàn)示意圖，為保持穩(wěn)定成像，使用三腳架對(duì)便攜式紅外熱像儀進(jìn)行支撐。

3 結(jié)果及分析

3.1 便攜式發(fā)射率測(cè)量?jī)x工作穩(wěn)定性驗(yàn)證

為了保持便攜式發(fā)射率測(cè)量?jī)x在長(zhǎng)時(shí)間工作下的狀態(tài)穩(wěn)定性，測(cè)量對(duì)照區(qū)在5種溫度條件下的發(fā)射率數(shù)值，分析其在每個(gè)溫度條件下的發(fā)射率標(biāo)準(zhǔn)差，判斷發(fā)射率測(cè)量?jī)x是否處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。

圖4展示了5種溫度條件下對(duì)照區(qū)的發(fā)射率?？梢钥闯?，隨著溫度逐漸增加，該區(qū)域的發(fā)射率從0.4左右略有下降，但5種溫度的發(fā)射率數(shù)值都比較平穩(wěn)。分別對(duì)5種溫度條件的發(fā)射率求標(biāo)準(zhǔn)差，如表1所示，發(fā)射率測(cè)量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.005，可以認(rèn)為該便攜式發(fā)射率測(cè)量?jī)x在多次測(cè)量條件下能夠穩(wěn)定工作，得出的測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可信。

圖4 5種溫度條件下對(duì)照區(qū)的發(fā)射率

表1 5種溫度條件下對(duì)照區(qū)的發(fā)射率標(biāo)準(zhǔn)差

因而，對(duì)每種溫度條件下8次測(cè)量結(jié)果求平均值，可以認(rèn)為該平均值就是對(duì)照區(qū)的實(shí)際發(fā)射率。以下分析便攜式發(fā)射率的測(cè)量結(jié)果為同一條件8次測(cè)量的平均值。

3.2 熱像儀測(cè)量結(jié)果

使用熱電偶接觸式測(cè)溫儀對(duì)試件表面溫度進(jìn)行測(cè)量，得到真實(shí)溫度T0分別為32.3 ℃、41.2 ℃、53.4 ℃、61.1 ℃、72.8 ℃。同時(shí)通過(guò)熱電偶測(cè)溫儀測(cè)得環(huán)境溫度為24.6 ℃。圖5展示了溫度分別為32.3 ℃、72.8 ℃的紅外熱圖，表2為各區(qū)域的輻射溫度Tr。

圖5 不同溫度時(shí)的紅外熱圖

表2 各區(qū)域的輻射溫度Tr 單位：K

3.3 2種方法測(cè)量結(jié)果分析

3.3.1 脫落對(duì)發(fā)射率的影響

由于低發(fā)射率涂層脫落，因而實(shí)際測(cè)量的發(fā)射率為基底材料的發(fā)射率。圖6為分別使用便攜式發(fā)射率測(cè)量?jī)x和紅外熱像儀測(cè)得的脫落區(qū)發(fā)射率。

從圖6中可以看出，在低發(fā)射率涂層脫落的情況下，測(cè)量得到基底材料鈦合金的發(fā)射率數(shù)值低于0.1，而低發(fā)射率涂層的發(fā)射率數(shù)值在0.4左右，基底金屬發(fā)射率數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于涂層的發(fā)射率。這是由于樣品的基底材料為鈦合金，未被氧化的光滑表面使其具有較高的反射率，因而發(fā)射率較低。

圖6 脫落區(qū)發(fā)射率測(cè)量結(jié)果

在5種不同溫度條件下，熱像儀測(cè)得的脫落區(qū)發(fā)射率隨著溫度上升有稍微增大趨勢(shì)，而發(fā)射率測(cè)量?jī)x得到的脫落區(qū)發(fā)射率則相對(duì)平穩(wěn)?？傮w而言，對(duì)于對(duì)照區(qū)、脫落區(qū)的發(fā)射率測(cè)量，2種方法結(jié)果較為接近。

3.3.2 劃痕對(duì)發(fā)射率的影響

3.3.2.1 便攜式發(fā)射率測(cè)量?jī)x測(cè)試結(jié)果

便攜式發(fā)射率測(cè)量?jī)x的測(cè)量結(jié)果如圖7、8所示，其中圖7展示當(dāng)劃痕寬度一定時(shí)，間距對(duì)發(fā)射率的影響，圖8展示當(dāng)劃痕間距一定時(shí)，寬度對(duì)發(fā)射率的影響。圖中可看出，在各個(gè)劃痕條件下，發(fā)射率隨溫度的變化不是特別劇烈。圖7表明，當(dāng)寬度W為定值時(shí)，發(fā)射率隨著間距Δ的減小而逐漸增大，即劃痕越密集，發(fā)射率越大。而從圖8可以看出，當(dāng)間距Δ為定值時(shí)，發(fā)射率隨著寬度W的增大而逐漸增大，即劃痕越寬，發(fā)射率越大。

圖7 劃痕寬度不變時(shí)，不同劃痕間距的發(fā)射率(便攜式發(fā)射率測(cè)量?jī)x)

圖8 劃痕間距不變時(shí)，不同劃痕寬度的發(fā)射率(便攜式發(fā)射率測(cè)量?jī)x)

為了定量分析每個(gè)劃痕條件下發(fā)射率的變化大小，分別將每個(gè)劃痕條件的發(fā)射率與對(duì)照區(qū)發(fā)射率相減得到發(fā)射率增加量。因此，在同一劃痕條件下，5個(gè)測(cè)試溫度將對(duì)應(yīng)得到5個(gè)發(fā)射率增加量，將同一劃痕條件下5個(gè)發(fā)射率增加量的最大值及其百分比列出，如表3所示。

表3 各個(gè)劃痕條件的發(fā)射率最大增加量(發(fā)射率測(cè)量?jī)x)

可以看出，在寬度W=0.5 mm時(shí)，間距Δ分別為2 mm、4 mm所對(duì)應(yīng)的發(fā)射率最大增加量分別大于W=1 mm時(shí)、間距Δ分別為4 mm和6 mm的發(fā)射率最大增加量，說(shuō)明在使用便攜式發(fā)射率測(cè)量?jī)x對(duì)試件進(jìn)行發(fā)射率測(cè)量時(shí)，必須同時(shí)考慮劃痕寬度和間距的影響。

3.3.2.1 便攜式熱像儀測(cè)試結(jié)果

便攜式熱像儀測(cè)得的發(fā)射率測(cè)量結(jié)果如圖9、10所示。從圖9可看出，不同間距Δ下的發(fā)射率曲線差別不大，這與便攜式發(fā)射率測(cè)量?jī)x的結(jié)果不同，這是因?yàn)闊嵯駡D能夠呈現(xiàn)試件表面的溫度分布，進(jìn)而準(zhǔn)確地定位劃痕位置，準(zhǔn)確測(cè)量劃痕處發(fā)射率。而便攜式發(fā)射率測(cè)量?jī)x測(cè)量的是測(cè)量孔對(duì)應(yīng)的局部區(qū)域發(fā)射率，而劃痕區(qū)域包括劃痕和完好部分，說(shuō)明基于反射法的便攜式發(fā)射率測(cè)量?jī)x受測(cè)量區(qū)域整體的表面狀態(tài)影響較大。

圖10表明，寬度W分別為0.5 mm、1 mm時(shí)，發(fā)射率均明顯大于寬度W為0.1 mm時(shí)的發(fā)射率。從圖5的紅外熱圖可以看出，寬度W=0.1 mm的劃痕區(qū)域明顯溫度較低，說(shuō)明劃痕很細(xì)時(shí)對(duì)涂層發(fā)射率的影響較小。在圖10中，當(dāng)溫度不高于326.4 K時(shí)，寬度W=0.5 mm的劃痕發(fā)射率明顯小于寬度W=1 mm的劃痕發(fā)射率，而當(dāng)溫度達(dá)到334.1 K和345.8 K時(shí)，兩者的發(fā)射率基本相同。這可能是因?yàn)楫?dāng)溫度較低時(shí)，劃痕寬度能明顯的影響涂層表面溫度場(chǎng)分布，而當(dāng)溫度升高，劃痕寬度對(duì)涂層表面溫度場(chǎng)的影響減小，此時(shí)寬度W分別為0.5 mm、1 mm的劃痕區(qū)域表面溫度基本相同，因而計(jì)算得到的發(fā)射率也基本一致。表明便攜式熱像儀測(cè)量發(fā)射率受涂層表面溫度場(chǎng)影響較大。

計(jì)算由便攜式熱像儀測(cè)得的各個(gè)劃痕條件的發(fā)射率增加量，并將同一劃痕條件下的發(fā)射率增加量最大值及其百分比列出，如表4所示。很明顯，當(dāng)劃痕寬度較小時(shí)，其發(fā)射率最大增加量也整體偏小。而當(dāng)寬度W為0.5 mm、1 mm時(shí)，不同間距的發(fā)射率最大增加量差別不大，說(shuō)明當(dāng)劃痕寬度較大時(shí)，劃痕間距的影響較小。

圖9 劃痕寬度不變時(shí)，不同劃痕間距的發(fā)射率(便攜式熱像儀)

圖10 劃痕間距不變時(shí)，不同劃痕寬度的發(fā)射率(便攜式熱像儀)

表4 各個(gè)劃痕條件的發(fā)射率最大增加量(熱像儀測(cè)量)

3.3.3 積污對(duì)發(fā)射率的影響

積污是影響低發(fā)射率涂層性能的一個(gè)重要因素。本文將黑色積碳置于涂層表面，測(cè)量積碳區(qū)域的涂層發(fā)射率。測(cè)量結(jié)果如圖11所示，在積碳情況下，涂層表面發(fā)射率極大的增加。在5種溫度條件下，發(fā)射率測(cè)量?jī)x測(cè)得的積碳區(qū)發(fā)射率增大到0.8左右，熱像儀測(cè)得的積碳區(qū)發(fā)射率則大于0.8，且整體隨溫度的上升而增大。這可能是由于積碳區(qū)雖然發(fā)射率較高，但其表面狀態(tài)較為平整，使得基于反射法的便攜式發(fā)射率測(cè)量?jī)x測(cè)量結(jié)果偏小，且隨溫度變化不大。熱像儀測(cè)量法的準(zhǔn)確性依賴測(cè)溫的準(zhǔn)確性，但由于測(cè)溫誤差受物體表面溫度影響，導(dǎo)致熱像儀測(cè)量結(jié)果受溫度影響較大。

圖11 積碳區(qū)發(fā)射率測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)置5種溫度條件，使用便攜式發(fā)射率測(cè)量?jī)x和便攜式熱像儀對(duì)脫落、劃痕、積污3種常見(jiàn)失效條件以及對(duì)照區(qū)的發(fā)射率進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比分析了3種失效條件對(duì)紅外低發(fā)射率涂層性能產(chǎn)生的影響。3種失效條件中，脫落和積污對(duì)低發(fā)射率涂層的影響較大，雖然劃痕對(duì)低發(fā)射率涂層的影響程度不如脫落和積污，但是劃痕寬度和劃痕間距對(duì)涂層發(fā)射率的影響需要定量地測(cè)量及評(píng)估。對(duì)比便攜式發(fā)射率測(cè)量?jī)x和便攜式熱像儀測(cè)量結(jié)果，當(dāng)?shù)桶l(fā)射率涂層未受損傷或損傷狀態(tài)為脫落時(shí)，兩者測(cè)量結(jié)果比較接近，而對(duì)劃痕區(qū)和積碳區(qū)的測(cè)量表明基于反射法的便攜式發(fā)射率測(cè)量?jī)x受涂層表面狀態(tài)影響較大，熱像儀測(cè)量結(jié)果受溫度影響較大。