涂層半球發(fā)射率影響因素的研究

熊 磊，曾 鳴，周 波，侯志全，何 勃

(廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院 國家節(jié)能傳熱及隔熱產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，廣州 510100)

半球發(fā)射率(也稱為輻射率、黑體系數(shù))作為表征涂料輻射本領(lǐng)的一個物理量[1]，主要的測試方法有光學法和卡計法，卡計法分為瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)卡計法，瞬態(tài)法可快速測定，但不適用低導熱率的樣品，且樣品內(nèi)部不能有溫度梯度，還需知道不同溫度下的比熱，限制了新型材料的測試[2-3]，穩(wěn)態(tài)法不需要材料的其它物理參數(shù)即可測試。

半球發(fā)射率可以體現(xiàn)涂料涂層在特定溫度下相對黑體的輻射能力的大小[4-5]。Masuda[6]等人改進了瞬態(tài)卡計法對非導電材料進行了詳細研究。胡凌[7]等人研制了建筑外墻用反射-阻隔型隔熱涂料，并測試了其光、熱反射、輻射性能。唐根初[2]等人從理論上研究了不同溫度下對材料半球發(fā)射率的影響規(guī)律。Hameury等人研究了使用穩(wěn)態(tài)法測試不透明固體材料的半球發(fā)射率。王毅[9]等人用穩(wěn)態(tài)卡計法對熱控材料的半球發(fā)射率的不確定度進行了測試研究。分析發(fā)現(xiàn)，大部分專家學者只對涂層的熱輻射、反射或從理論角度進行剖析[10]，并未以涂層為出發(fā)點，厚度、表面形貌、測試溫度作為影響因子對其半球發(fā)射率的影響進行研究。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，從涂層厚度、表面形貌和測試溫度三方面為落腳點，利用自主研發(fā)的穩(wěn)態(tài)量熱計法半球發(fā)射率檢測儀對涂層的半球發(fā)射率三因素影響情況進行研究。

1 設(shè)備及原理

1.1 設(shè)備

本文所用穩(wěn)態(tài)量熱計法半球發(fā)射率檢測儀(如圖1所示)為自主研發(fā)，符合GB/T 25261-2010《建筑用反射隔熱涂料》標準中規(guī)定使用GJB 2502.3-2006中對半球發(fā)射率的測試要求。

圖1 穩(wěn)態(tài)量熱計法半球發(fā)射率檢測儀

儀器包含：(1)真空室：真空罩以及固設(shè)在真空罩內(nèi)壁上呈半包圍狀的熱沉；(2)真空系統(tǒng)：三通閥、擋油器、油擴散泵與儲氣罐以及機械泵；(3)加熱系統(tǒng)：設(shè)置在真空測試空間內(nèi)，對試樣進行加熱至預(yù)定溫度，有主加熱器和輔助加熱器；(4)恒溫冷卻系統(tǒng)：可使用循環(huán)冷卻水或液氮降溫；(5)數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)：溫測單元、電壓計、高真空計、低真空計；(6)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：計算機、軟件等處理單元。

1.2 原理

假設(shè)制備的試樣與測試環(huán)境滿足基爾霍夫定律，即處于熱平衡狀態(tài)實體的吸收率等于其發(fā)射率[11-12]。則試樣的半球發(fā)射率εH等于半球吸收率，當試樣溫度達到預(yù)設(shè)值且處于熱穩(wěn)定狀態(tài)時，由能量守恒定律可知[13]

(1)

式中σ——斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，σ=5.67×10-8W/(m2·K4)；

A——試樣表面積/m2；

T——試樣溫度/K；

T0——熱沉溫度/K；

Q——加熱器的加熱功率/W；

Qw——試樣通過引線的熱損/W；

Qg——測試室內(nèi)由殘余氣體引起的熱損/W；

Qr——試樣與測試室內(nèi)壁多次反射試樣所吸收的能量/W。

在測定過程中，真空室內(nèi)始終保持著高真空狀態(tài)，殘留的氣體極少，可以忽略不計，即Qg=0。真空罩的內(nèi)表面積遠大于試樣自身的表面積，兩者間多次輻射的熱量也可忽略不計，即Qr=0。同時，給試樣加熱電阻絲及供電線的直徑較小，因熱傳導損失的熱量亦可忽略不計，即Qw=0。將式(1)變形，即可得出半球發(fā)射率εH的計算公式，見式(2)

(2)

當試樣達到熱穩(wěn)定狀態(tài)后(預(yù)設(shè)溫度(T))的加熱器加熱功率(Q)、熱沉溫度(T0)及試樣的表面積(A)，即可根據(jù)式(3)計算出半球發(fā)射率εH

(3)

式中V1——標準電阻的端電壓/V；

V——主加熱器的端電壓/V；

R——標準電阻的電阻/Ω。

2 測試

2.1 試樣的制備

制作試樣，需將涂料(CY-6000型納米隔熱涂料，廣東某涂料有限公司)涂覆在(40 mm±0.1 mm)×(40 mm±0.1 mm)×(1 mm±0.1 mm)的鋁質(zhì)基底上制成測試樣片，具體步驟如下所示：

(1)將取樣器、燒杯、玻璃棒、鋁質(zhì)基底若干用酒精、去離子水清洗干凈，烘干備用；

(2)用取樣器取適量的隔熱涂料放入燒杯中，用玻璃棒將其攪拌均勻；

(3)將均勻的隔熱涂料刮涂適當厚度的一層在鋁質(zhì)基底表面，且使涂膜表面光滑平整、無氣泡、裂紋、凹凸不平等明顯缺陷出現(xiàn)；

(4)將刮涂好的樣片放在養(yǎng)護箱中養(yǎng)護7 d，并觀察涂層表面是否出現(xiàn)(3)中所述缺陷，如有則應(yīng)重新制樣，無缺陷的試樣放入儀器中進行測試。

在制樣和養(yǎng)護過程中，應(yīng)保證溫度為23±2 ℃，相對濕度為50±5%的條件下進行，應(yīng)保持樣片表面的清潔，以免影響測試結(jié)果。

2.2 試樣的測試

在樣片的非涂層面均勻涂抹一層薄薄的導熱硅脂后，放在真空室中的加熱臺上，使其與加熱臺緊密貼合，關(guān)閉真空罩，通過抽真空系統(tǒng)使腔體內(nèi)達到較高的真空度。這是為了減小或者避免其它熱傳遞方式對測試的影響，使熱輻射為涂層與環(huán)境之間的主要傳熱方式。為補充涂層熱輻射損失的熱量造成溫度下降，加熱臺對樣片進行加熱且使溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度，讓樣片與環(huán)境達到熱平衡狀態(tài)。同時由數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)對樣片的溫度、熱沉溫度、真空度以及主加熱器功率等一系列數(shù)據(jù)進行測量并傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。當數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得到真空室內(nèi)的壓力達到1.0×10-4Pa以下，樣片處于熱穩(wěn)定狀態(tài)(在20 min內(nèi)，樣片溫度波動不大于0.1 ℃)時，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)樣片溫度、熱沉溫度、主加熱器的功率、樣片的輻射表面積等數(shù)據(jù)即可計算出涂層的半球發(fā)射率。

3 分析

3.1 厚度對半球發(fā)射率的影響

樣片在制作過程中，涂層厚度很難精確控制，為研究不同涂層厚度對半球發(fā)射率的影響，制備出的不同涂層厚度的樣片如圖2所示，A、B、C為涂層厚度不同的三組試樣，D為空白鋁質(zhì)基底。

圖2 四組測試樣片

表1為測得的涂層厚度，可知涂層厚度范圍分別在0.040 mm、0.100 mm、0.200 mm左右。

表1 樣片涂層厚度/mm

測其半球發(fā)射率見圖3，從圖3可知，基底(D組)的半球發(fā)射率遠小于A、B、C三組。A組半球發(fā)射率在0.56上下，B組半球發(fā)射率在0.82上下，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，偏差小，C組半球發(fā)射率在0.81上下，數(shù)據(jù)偏差大。

圖3 不同涂層厚度的半球發(fā)射率

A組涂層厚度在0.040 mm左右時，其半球發(fā)射率偏低，其原因可能是在刮涂過程中，形成的涂層太薄，呈半透明狀(如圖2(a)所示)，透過涂層仍可見基底，涂層不足以完全掩蓋基底半球發(fā)射率低的特性，熱量大部分由基底輻射，少部分由薄涂層輻射，受其影響，使測得的半球發(fā)射率偏低，如圖4(a)。

圖4 涂層厚度熱輻射示意圖

B、C兩組涂層厚度在0.100 mm以上，透過涂層無法看到基底，涂層厚度足以覆蓋基底低發(fā)射率的特性(如圖2(b)、(c)所示)，熱量絕大部分由涂層輻射出去，基底透過涂層的熱輻射量可以忽略不計，故其半球發(fā)射率值高于A組，如圖4(b)。雖然，B、C兩組半球發(fā)射率平均值變化小，但涂層厚度在0.100 mm左右的B組半球發(fā)射率波動小，可能由于涂層表面平整。涂層厚度在0.200 mm左右的C組波動大，可能由于涂層存在各種缺陷所致。綜上所述，涂層厚度在0.100 mm左右，有利于得到較好的測試結(jié)果，因此，在制樣過程中應(yīng)嚴格注意涂層厚度是否復合要求，不符合時應(yīng)重新制樣，以免影響測試的準確度。

3.2 表面形貌對半球發(fā)射率的影響

當涂層厚度在0.100 mm以上時，B組的半球發(fā)射率較穩(wěn)定，C組波動大，平行性差，為分析造成此現(xiàn)象的原因，利用表面輪廓儀(Infinite Focus SL型，奧地利Alicona Imaging GmbH)對樣片的表面形貌進行測試研究，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 表面形貌測試結(jié)果

由圖5可知，A、B組表面無明顯缺陷，C組表面不平整，出現(xiàn)了較多明顯的凹坑，因基底表面平整，排除了基底對涂層表面形貌的影響。在制樣時，涂層厚度越厚，越無法有效控制涂層表面形貌，易形成凹坑、凸起、裂紋等缺陷(如圖6所示)，導致C組半球發(fā)射率平行性差。由于上述缺陷使每個樣片都有不同的輻射面積，輻射的熱量有差異，導致測試數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。當樣片表面形貌呈高低起伏丘陵狀，無明顯的凹坑和裂紋時，其增加的輻射面積使得測量結(jié)果偏大。當樣片表面形貌有較多的凹坑和裂紋時，其輻射面積減少，且凹坑和裂紋處的涂層薄，受基底的影響，導致結(jié)果偏小。

圖6 涂層表面缺陷示意圖

3.3 溫度對半球發(fā)射率的影響

半球發(fā)射率為材料在某一特定溫度下的輻射能力的體現(xiàn)，為研究材料在不同特定溫度下的輻射能力，將養(yǎng)護好的樣片放入儀器中進行測試。在測試時，分別設(shè)置測試溫度段的第一、第二溫度點，每個溫度點測試三次取其平均值作為此溫度點的半球發(fā)射率，然后取兩者的平均值作為此溫度段的半球發(fā)射率值。各溫度段的半球發(fā)射率數(shù)據(jù)如圖7所示。

由圖7可知，涂層在不同溫度段的半球發(fā)射率有一定變化，說明不同的測試溫度對涂層半球發(fā)射率有影響。在同一溫度段測試中，第一溫度點的半球發(fā)射率測試值均比第二溫度點的測試值低，進一步說明溫度的變化對涂層的半球發(fā)射率有影響。這可能由兩方面的原因引起：(1)溫度的變化破壞了涂層的結(jié)構(gòu)成分和熱穩(wěn)定性；(2)涂層半球發(fā)射率隨溫度變化是固有性質(zhì)。同一次測試中，同一溫度點的測試數(shù)據(jù)波動幅度小，穩(wěn)定性好。

圖7 不同溫度段半球發(fā)射率測試結(jié)果

為分析溫度變化是否對涂層熱穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，利用熱綜合分析儀(SDT 600型，美國TA公司)對其進行測試，結(jié)果見圖8。從涂層的熱重曲線可知，在0～300 ℃溫度區(qū)間，其重量只有極微小的變化，這是因為涂層中含有的微量水分受熱蒸發(fā)所致，300 ℃后涂層重量才急劇變化，說明在30～75 ℃的半球發(fā)射率測試中，溫度的變化未對涂層的熱穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

圖8 涂層的熱重曲線

為研究溫度變化是否影響涂層的結(jié)構(gòu)成分，利用傅立葉變換紅外光譜儀(IS50型，美國Thermo公司)對半球發(fā)射率測試前后的涂層進行測試，結(jié)果見圖9。分析可知，測試前后的紅外譜圖未見明顯變化，說明半球發(fā)射率測試時的溫度對涂層的結(jié)構(gòu)成分無影響。

圖9 測試前后涂層的紅外譜圖

綜上所述，半球發(fā)射率測試過程中的溫度變化未破壞對涂層的熱穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)成分，排除了在測試過程中涂層結(jié)構(gòu)成分和熱穩(wěn)定性變化影響半球發(fā)射率測試結(jié)果。

根據(jù)圖7的測試結(jié)果，得出各溫度段的半球發(fā)射率，見圖10。從圖10可知，隨著測試溫度的逐步上升，涂層的半球發(fā)射率呈下降趨勢。

圖10 溫度對半球發(fā)射率的影響

4 結(jié)論

(1)涂層厚度控制在0.100 mm左右，有利于半球發(fā)射率的準確測量，過厚或過薄會導致測量結(jié)果偏差太大。

(2)表面形貌受涂層厚度的影響，凹坑、凸起、裂紋等缺陷引起涂層輻射面積變化，致使測量結(jié)果不準確。

(3)在一定溫度范圍內(nèi)，涂層的半球發(fā)射率隨著測量溫度的上升總體呈下降趨勢。