耐高温粉体材料宽光谱辐射特性测量方法及研究

摘要

目前，粉体材料通常以涂层的形式应用于航空航天、建筑节能以及国防技术等领域，如航天器的热防护涂层等。涂层的辐射特性参数，尤其是高温工况下的辐射特性参数对研究涂层与设备辐射交换过程至关重要。而涂层的辐射特性基本由粉体材料的辐射特性决定，因此，本文针对常温和变温工况下氧化铝粉体材料辐射特性的测量方法进行了研究。 首先，对粉体材料内部辐射传输过程进行分析。利用三热流近似法对辐射传输方程进行求解，构造基于定向-半球光谱透射率和反射率的测量值和理论值的目标函数，结合PSO优化算法反演粉体材料的反照率、散射系数和吸收系数。考虑到粉体样品的支撑层会对测量结果产生影响，本文还建立了多层介质模型用来修正上述影响，确保目标函数中测量值的准确性。 其次，利用自然堆积法，制备不同厚度、不同粒径的氧化铝粉体样品。常温工况下，分别使用配备积分球的紫外-可见-近红外分光光度计和傅里叶红外光谱仪，测量粉体样品在紫外-中红外的定向-半球光谱透射率和反射率。高温工况下，针对粉体材料，研制了样品加热装置，并利用FLUENT仿真模拟和热电偶测温实验验证了样品加热装置的可靠性。通过改造中红外积分球，将加热装置应用于粉体样品的定向-半球光谱透射率和反射率的测量，完成变温工况下中红外波段测量系统的设计与搭建。 再次，利用中红外波段变温工况的测量系统，对固体氧化铝样品的定向-半球光谱透射率和反射率进行了测量，获取固体样品的发射率间接测量值，其与文献中发射率的直接测量值吻合较好，证明了变温工况测量系统的可靠性。同时，利用多层介质修正由支撑层夹持固体氧化铝的三层结构固体样品的定向-半球光谱透射率和反射率测量值，其与固体氧化铝的测量值基本一致，证明了多层介质模型用于修正支撑层影响的可行性。 最后，对粉体样品的辐射特性进行测量，且基于实验测得的氧化铝粉体样品的定向-半球光谱透射率和反射率，反演得到样品的反照率、散射系数以及吸收系数。分别讨论了常温和变温两种工况下氧化铝粉体样品的反照率、散射系数和吸收系数随温度、厚度、粒径的变化规律，并与固体氧化铝样品的辐射特性参数进行了对比。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题研究背景及意义

1．2 半透明介质辐射特性测量方法研究现状

1．2．1 常温半透明介质光谱辐射特性测量方法研究现状

1．2．2 变温半透明介质光谱辐射特性测量与分析方法研究现状

1．3 本文主要研究内容

2 粉体材料辐射特性测量方法

2．1 粉体材料的辐射传输模型及求解方法

2．1．1 辐射传输模型

2．1．2 辐射传输方程求解方法

2．2 反演方法

2．3 修正模型

2．3．1 多层介质模型原理

2．3．2 本文的修正模型

2．4 本章小结

3 粉体材料辐射特性测量实验系统

3．1 粉体材料光谱测量系统

3．1．1 中红外波段变温工况下辐射特性测量系统

3．1．2 紫外-近红外波段常温工况下辐射特性测量系统

3．2 样品制备

3．3 本章小结

4 粉体材料辐射特性测量方法可行性验证

4．1 变温工况下加热片的选取及中红外波段测量系统的可靠性验证

4．1．1 陶瓷加热片的选取

4．1．2 变温工况下陶瓷加热片以及固体氧化铝的辐射特性测量及修正

4．1．3 变温工况下中红外测量系统可靠性验证

4．2 支撑层修正模型可行性验证

4．2．1 变温工况下溴化钾窗片以及三层结构样品辐射特性测量及修正

4．2．2 支撑层修正模型验证

4．3 本章小结

5 粉体材料辐射特性测量结果分析研究

5．1 全波段常温工况实验结果分析

5．1．1 不同求解方法对比分析

5．1．2 不同堆积厚度对比分析

5．1．3 不同粒径对比分析

5．1．4 固体与粉体对比分析

5．2 中红外波段高温工况实验结果分析

5．2．1 不同温度对比分析

5．2．2 不同堆积厚度对比分析

5．2．3 不同粒径对比分析

5．2．4 固体与粉体对比分析

5．3 本章小结

6 结论

6．1 全文总结

6．2 本文创新

6．3 研究展望

致谢

参考文献

附录