失效紅外低發(fā)射率涂層發(fā)射率測量及分析

匡 鵬， 李益文， 魏小龍， 武 欣， 宣遠勃， 朱 鍵

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

紅外低發(fā)射率涂層涂覆在目標物體表面而改變其紅外輻射特性，大致分為金屬微粉涂層、金屬薄膜與無機紅外低發(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、積污等問題，對其長時使用壽命和發(fā)射率性能產(chǎn)生影響[2-3]。文獻[4]建立了紅外隱身涂層失效的評價標準，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)射率涂層具有較長的使用壽命，需要對紅外低發(fā)射率涂層在使用過程中的性能狀態(tài)進行及時測量評估。而低發(fā)射率涂層噴涂在設(shè)備上之后，只能對其進行原位在線測量。

紅外發(fā)射率測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]、多波長法[11-12]等，間接法則主要為反射法[13]。而多數(shù)發(fā)射率測量方法只能用于實驗室測量，為了實現(xiàn)在物體表面直接的原位發(fā)射率測量，多采用多波長法或用反射器模擬黑體的方法[14]?；诜e分球反射計的便攜式發(fā)射率測量儀具有體積小、測量環(huán)境要求不高、發(fā)射率精度較好等優(yōu)點[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量目標發(fā)射率的原理，并設(shè)計了相關(guān)實驗方法。而便攜式紅外熱像儀具有非接觸式、操作簡便、檢測快速、使用便攜等優(yōu)點，適用于目標發(fā)射率原位測量。本文探索采用便攜式發(fā)射率測量儀和便攜式紅外熱像儀2種方式對失效紅外低發(fā)射率涂層進行原位測量。

1 實驗原理與設(shè)備

1.1 便攜式發(fā)射率測量儀測量方法

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，通過對物體反射率ρ(λ)進行測量，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)射率測量儀主要由紅外輻射源、斬波器、積分球光學(xué)模塊、探測單元等組成。紅外陶瓷光源發(fā)射連續(xù)輻射，經(jīng)過斬波后被調(diào)制成特定檢測頻率的脈沖輻射，并以法向8°夾角通過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。出射孔上固定的測量反射鏡，將探測立體角內(nèi)的輻射反射進入探測器，探測器檢出反射輻射能量，與參考標準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

探測器將輻射能量轉(zhuǎn)換為成比例的電壓信號，可以得到低發(fā)射率涂層及標準試樣的電壓信號表達式分別為：

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)分別為材料和標準試樣的表面反射率。

通過相同條件下對標準試樣和低發(fā)射率涂層的兩次測量，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)射率測量方法

文獻[16]、[18]通過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對該關(guān)系近似擬合，得到真實溫度和輻射溫度關(guān)系式(6)，進一步可以得到發(fā)射率的計算公式(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時所測得的輻射溫度；T0為物體表面的真實溫度；Tu為環(huán)境溫度；n為與熱像儀工作波段有關(guān)的指數(shù)，當其工作在8～14 μm時約為4。以上溫度單位均為K。

2 實驗

測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)定工作較長時間。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個區(qū)域，分別為對照區(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個區(qū)域標記為1、2、3、4、5、6。在每個劃痕區(qū)域中設(shè)置3個不同的等距劃痕區(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。通過溫控設(shè)備在30～70 ℃之間設(shè)置5個溫度，對試樣進行整體均勻加熱。分別使用便攜式發(fā)射率測量儀、紅外熱像儀對同一溫度下的6個區(qū)域進行發(fā)射率測量。

圖2 試樣

儀器與實驗情況見圖3。使用便攜式發(fā)射率測量儀進行測量時，先測量標準反射片進行標定，而后測量背景發(fā)射率，再對試樣進行測量，如圖3(a)所示。對多次測量結(jié)果取平均值，將平均值作為發(fā)射率數(shù)值進行分析。

圖3 測量儀與實驗示意圖

便攜式紅外熱像儀型號為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，測量溫度范圍為-20～350 ℃，溫度分辨率為0.06 ℃，圖3(b)為實驗示意圖，為保持穩(wěn)定成像，使用三腳架對便攜式紅外熱像儀進行支撐。

3 結(jié)果及分析

3.1 便攜式發(fā)射率測量儀工作穩(wěn)定性驗證

為了保持便攜式發(fā)射率測量儀在長時間工作下的狀態(tài)穩(wěn)定性，測量對照區(qū)在5種溫度條件下的發(fā)射率數(shù)值，分析其在每個溫度條件下的發(fā)射率標準差，判斷發(fā)射率測量儀是否處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。

圖4展示了5種溫度條件下對照區(qū)的發(fā)射率?？梢钥闯觯S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5種溫度條件的發(fā)射率求標準差，如表1所示，發(fā)射率測量結(jié)果標準差均小于0.005，可以認為該便攜式發(fā)射率測量儀在多次測量條件下能夠穩(wěn)定工作，得出的測量結(jié)果準確可信。

圖4 5種溫度條件下對照區(qū)的發(fā)射率

表1 5種溫度條件下對照區(qū)的發(fā)射率標準差

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

3.2 熱像儀測量結(jié)果

使用熱電偶接觸式測溫儀對試件表面溫度進行測量，得到真實溫度T0分別為32.3 ℃、41.2 ℃、53.4 ℃、61.1 ℃、72.8 ℃。同時通過熱電偶測溫儀測得環(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種方法測量結(jié)果分析

3.3.1 脫落對發(fā)射率的影響

由于低發(fā)射率涂層脫落，因而實際測量的發(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)射率測量儀和紅外熱像儀測得的脫落區(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)值遠遠低于涂層的發(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)射率測量結(jié)果

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

3.3.2 劃痕對發(fā)射率的影響

3.3.2.1 便攜式發(fā)射率測量儀測試結(jié)果

便攜式發(fā)射率測量儀的測量結(jié)果如圖7、8所示，其中圖7展示當劃痕寬度一定時，間距對發(fā)射率的影響，圖8展示當劃痕間距一定時，寬度對發(fā)射率的影響。圖中可看出，在各個劃痕條件下，發(fā)射率隨溫度的變化不是特別劇烈。圖7表明，當寬度W為定值時，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，當間距Δ為定值時，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，不同劃痕間距的發(fā)射率(便攜式發(fā)射率測量儀)

圖8 劃痕間距不變時，不同劃痕寬度的發(fā)射率(便攜式發(fā)射率測量儀)

為了定量分析每個劃痕條件下發(fā)射率的變化大小，分別將每個劃痕條件的發(fā)射率與對照區(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個測試溫度將對應(yīng)得到5個發(fā)射率增加量，將同一劃痕條件下5個發(fā)射率增加量的最大值及其百分比列出，如表3所示。

表3 各個劃痕條件的發(fā)射率最大增加量(發(fā)射率測量儀)

可以看出，在寬度W=0.5 mm時，間距Δ分別為2 mm、4 mm所對應(yīng)的發(fā)射率最大增加量分別大于W=1 mm時、間距Δ分別為4 mm和6 mm的發(fā)射率最大增加量，說明在使用便攜式發(fā)射率測量儀對試件進行發(fā)射率測量時，必須同時考慮劃痕寬度和間距的影響。

3.3.2.1 便攜式熱像儀測試結(jié)果

便攜式熱像儀測得的發(fā)射率測量結(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)射率測量儀的結(jié)果不同，這是因為熱像圖能夠呈現(xiàn)試件表面的溫度分布，進而準確地定位劃痕位置，準確測量劃痕處發(fā)射率。而便攜式發(fā)射率測量儀測量的是測量孔對應(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，說明基于反射法的便攜式發(fā)射率測量儀受測量區(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，發(fā)射率均明顯大于寬度W為0.1 mm時的發(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，說明劃痕很細時對涂層發(fā)射率的影響較小。在圖10中，當溫度不高于326.4 K時，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，而當溫度達到334.1 K和345.8 K時，兩者的發(fā)射率基本相同。這可能是因為當溫度較低時，劃痕寬度能明顯的影響涂層表面溫度場分布，而當溫度升高，劃痕寬度對涂層表面溫度場的影響減小，此時寬度W分別為0.5 mm、1 mm的劃痕區(qū)域表面溫度基本相同，因而計算得到的發(fā)射率也基本一致。表明便攜式熱像儀測量發(fā)射率受涂層表面溫度場影響較大。

計算由便攜式熱像儀測得的各個劃痕條件的發(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，當劃痕寬度較小時，其發(fā)射率最大增加量也整體偏小。而當寬度W為0.5 mm、1 mm時，不同間距的發(fā)射率最大增加量差別不大，說明當劃痕寬度較大時，劃痕間距的影響較小。

圖9 劃痕寬度不變時，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，不同劃痕寬度的發(fā)射率(便攜式熱像儀)

表4 各個劃痕條件的發(fā)射率最大增加量(熱像儀測量)

3.3.3 積污對發(fā)射率的影響

積污是影響低發(fā)射率涂層性能的一個重要因素。本文將黑色積碳置于涂層表面，測量積碳區(qū)域的涂層發(fā)射率。測量結(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)射率測量儀測得的積碳區(qū)發(fā)射率增大到0.8左右，熱像儀測得的積碳區(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)射率測量儀測量結(jié)果偏小，且隨溫度變化不大。熱像儀測量法的準確性依賴測溫的準確性，但由于測溫誤差受物體表面溫度影響，導(dǎo)致熱像儀測量結(jié)果受溫度影響較大。

圖11 積碳區(qū)發(fā)射率測量結(jié)果

4 結(jié)語

通過設(shè)置5種溫度條件，使用便攜式發(fā)射率測量儀和便攜式熱像儀對脫落、劃痕、積污3種常見失效條件以及對照區(qū)的發(fā)射率進行測量，對比分析了3種失效條件對紅外低發(fā)射率涂層性能產(chǎn)生的影響。3種失效條件中，脫落和積污對低發(fā)射率涂層的影響較大，雖然劃痕對低發(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涂層發(fā)射率的影響需要定量地測量及評估。對比便攜式發(fā)射率測量儀和便攜式熱像儀測量結(jié)果，當?shù)桶l(fā)射率涂層未受損傷或損傷狀態(tài)為脫落時，兩者測量結(jié)果比較接近，而對劃痕區(qū)和積碳區(qū)的測量表明基于反射法的便攜式發(fā)射率測量儀受涂層表面狀態(tài)影響較大，熱像儀測量結(jié)果受溫度影響較大。