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高溫光譜發(fā)射率表征新裝置在航天熱防護(hù)材料中的實驗應(yīng)用研究

——以ISiComp?陶瓷基復(fù)合材料為例

一、研究背景與目的

隨著可重復(fù)使用航天器技術(shù)的發(fā)展，熱防護(hù)系統(tǒng)（Thermal Protection System, TPS）材料在大氣層再入過程中的熱管理能力日益受到關(guān)注。光譜發(fā)射率（ε）作為決定材料輻射散熱能力的核心熱物性參數(shù)，直接影響TPS的熱響應(yīng)特性與測溫手段的精度，特別是在采用雙色輻射測溫法（Dual-color Pyrometry）等非接觸溫度監(jiān)測技術(shù)中更是關(guān)鍵變量。

為應(yīng)對高溫、復(fù)雜輻射環(huán)境下TPS材料發(fā)射率測試的技術(shù)挑戰(zhàn)，本文提出并驗證了一種新型實驗裝置，旨在對由意大利CIRA航天研究中心和PETROCERAMICS聯(lián)合開發(fā)的陶瓷基復(fù)合材料ISiComp?（碳纖維增強(qiáng)SiC基體）進(jìn)行多波段、多溫區(qū)的高溫光譜發(fā)射率表征，填補(bǔ)現(xiàn)有測試手段在寬光譜精確測量方面的空白。

二、創(chuàng)新實驗裝置設(shè)計

本研究采用了一種集成式測量系統(tǒng)，兼顧精度與光譜覆蓋，突破了傳統(tǒng)單設(shè)備測溫在復(fù)雜場景下的局限。核心組成包括：

• 參考溫度基準(zhǔn)：K型熱電偶（溫度范圍：-200–1100°C，精度：±0.0075T），嵌入樣品內(nèi)側(cè)，實現(xiàn)內(nèi)部溫度測量。

• 多光譜測溫設(shè)備：

• IMPAC IGAR-12LO 雙波長高溫計（1.52 μm & 1.64 μm）

•  紅外熱像儀：分別加裝藍(lán)寶石濾光片（2.10 μm）與NB2097濾光片（3.97 μm）

• 微測輻射相機(jī)：覆蓋7.5–14 μm長波紅外區(qū)

• 樣品配置：測試樣品為直徑12.7 mm、厚度4 mm的圓柱體ISiComp?材料，分為SiC涂層與未涂層兩類，分別進(jìn)行兩輪升溫測試（450°C → 850°C）。

此多設(shè)備協(xié)同的布置，首次在實驗室環(huán)境中實現(xiàn)了1.52 μm至14 μm范圍內(nèi)的連續(xù)發(fā)射率測量。

三、關(guān)鍵測量方法與理論支撐

1. 溫度基準(zhǔn)選擇與熱梯度驗證

由于熱電偶測量點(diǎn)位于樣品內(nèi)側(cè)，為確保其溫度可代表表面輻射溫度，研究采用能量平衡模型對樣品厚度方向的熱梯度進(jìn)行迭代計算，綜合考慮導(dǎo)熱、對流與輻射熱通量。結(jié)果表明熱梯度小于1 K，熱電偶溫度可視為準(zhǔn)確的參考溫度（T_tc），用于發(fā)射率計算。

2. 發(fā)射率求解策略

• 熱像儀采用“試錯法”（Trial-and-error）：通過調(diào)節(jié)熱像儀軟件中的材料發(fā)射率參數(shù)，直至圖像中選定ROI的平均溫度與熱電偶一致，反推出正確發(fā)射率。

• 雙色高溫計基于如下修正公式計算：

  $$epsilon_{text{exp}} = epsilon_{text{sc}} left(frac{T_{tc}}{T_{text{sc}}}right)^N$$

  其中$T_{tc}$為熱電偶溫度，$T_{sc}$為儀器單波段測溫值，$N$為設(shè)備標(biāo)定常數(shù)，考慮波長與探測靈敏度相關(guān)。

此方法確保不同設(shè)備間的測量互為驗證，實現(xiàn)了高溫多波段精確發(fā)射率獲取。

四、實驗結(jié)果與分析

1. 發(fā)射率特性

• 所有測試樣品在1.52–14 μm波段和450–850°C溫區(qū)內(nèi)均表現(xiàn)出高發(fā)射率特性（ε ≈ 0.80–0.98）；

• 未涂層樣品的發(fā)射率略高于涂層樣品，尤其在高溫條件下（如850°C，未涂層 ε ≈ 0.94，涂層 ε ≈ 0.91）；

• 在450°C時，2.1 μm波段出現(xiàn)發(fā)射率尖峰（ε ≈ 0.99），需分段建模處理。

2. 光譜擬合模型

• 450°C階段（1.52–2.1 μm）：發(fā)射率隨波長變化呈線性關(guān)系，R2 > 0.97；

• 其他溫度與波段：呈指數(shù)衰減關(guān)系，擬合方程 y = a - b·c^λ，R2 > 0.94；

• 同一材料在不同加熱循環(huán)中表現(xiàn)出高度一致性，驗證了材料熱穩(wěn)定性與可重復(fù)使用性。

五、結(jié)論與應(yīng)用前景

1. 技術(shù)貢獻(xiàn)

本研究首次提出并驗證了一個基于多光譜同步采集+熱參考迭代修正的高溫發(fā)射率表征方法，具備如下特點(diǎn)：

• 覆蓋寬波段（1.5–14 μm）；

• 支持高溫測量（至850°C及以上）；

• 可用于多種熱敏材料的非接觸表征；

• 適配當(dāng)前航天輻射測溫需求。

2. 材料應(yīng)用價值

測試結(jié)果表明ISiComp?具有**高發(fā)射率、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、適配雙色測溫條件（灰體假設(shè)近似成立）**等優(yōu)點(diǎn)，適合用作ESA“Space Rider”航天器的再入熱防護(hù)材料。

3. 后續(xù)研究方向

• 在CIRA的**Scirocco等離子體風(fēng)洞（PWT）**中模擬真實再入環(huán)境，進(jìn)一步驗證其性能；

• 利用CIRCE加速器進(jìn)行碳離子注入，研究可調(diào)發(fā)射率材料在高溫輻射場（T ≤ 1500°C）中的行為，為未來TPS材料的設(shè)計與校準(zhǔn)提供參考。

六、技術(shù)擴(kuò)展與理論意義

雙色輻射測溫技術(shù)雖具有快速、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，但其依賴“灰體假設(shè)”（即兩個波長下的發(fā)射率近似相等）。本研究通過測試證實ISiComp?為典型的“準(zhǔn)灰體材料”，彌補(bǔ)了低發(fā)射率材料（如金屬基材料）因光譜劇烈變化導(dǎo)致測溫誤差大的問題，為雙色測溫在航天熱試驗中的工程應(yīng)用提供材料保障。