[发明专利]基于瞬态分析的大温差样品的半球向全发射率测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及导体材料半球向全发射率测量领域，尤其涉及一种基于瞬态分析的大温差样品的半球向全发射率、导热系数及比热容的同时测量方法。 

背景技术

半球向全发射率是材料的重要热物性参数之一，表征了材料的表面热辐射能力，是研究辐射测量、辐射热传递以及热效率分析的重要基础物性数据。随着新型材料在能源动力和航空航天等高新技术领域的广泛应用，对半球向全发射率的测量提出了更多迫切需求，相比于其他热物性参数而言，半球向全发射率测量方法与技术研究仍不够充分，不同材料的半球向全发射率数据依然缺乏，需要通过精确实验测量获得物体的半球向全发射率。 

目前，材料半球向全发射率的测量方法主要有辐射光谱法和量热法。量热法因其设备结构简单，操作方便，精确度较高被广泛应用，其又可分为瞬态量热法和稳态量热法。稳态量热法的实验原理是通过测量样品在热平衡状态下的换热量和表面温度，计算出材料表面的半球向全发射率，国内外研究者采用了不同的样品规格和加热方式，形成了多种稳态量热技术应用模式。例如： 

a.在真空室中利用加热片对材料底面进行加热，通过测量电流、电压以及材料上表面温度，计算材料的全波长发射率； 

b.将两片样品薄片紧贴在加热片的两面，利用加热片的导线将其悬挂在真空室中，通以电流加热，通过测量电功率以及材料表面温度，求解半球向全发射率。 

相比于稳态量热法，瞬态量热法具有不需要维持稳定的加热状态、 不需知晓样品的加热功率等特点，在一些测试情形下体现出了较好的应用优势。瞬态量热法通常的测量模式为：将样品用热电偶丝悬挂在真空环境中，通过外热源对样品进行加热，达到稳态后自然冷却，测量导体的半球向全发射率。 

然而，基于瞬态量法的半球向全发射率测量工作仍有如下一些局限性：现有瞬态测量方法一般要求样品具有较均匀的温度分布，该要求往往受限于材料加工规格尺寸、材料热物性等诸多条件，当该要求无法满足时，无法解决具有大温度梯度分布的导体材料半球向全发射率瞬态测量问题；在瞬态量热分析中，当不同温度下的导体材料导热系数、比热容等基础热物性数据均未知时，无法解决该情形下的半球向全发射率测量问题，不能构建半球向全发射率、导热系数、比热容等同时测量的方案及求解方程组。 

因此，克服上述瞬态量热法应用中的局限性，发展一种基于瞬态量热法分析的、适用于具有大温度梯度分布的导体材料的半球向全发射率、导热系数及比热容同时测量的方法，将具有很好的实际意义。 

发明内容

（一）要解决的技术问题 

本发明的目的是提供一种基于瞬态分析的大温差样品的半球向全发射率测量方法，以克服现有技术的瞬态量热法无法对具有大温度梯度分布的导体材料半球向全发射率进行测量，以及导体材料的导热系数和比热容均为未知时无法对导体材料半球向全发射率进行测量等问题。 

（二）技术方案 

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于瞬态分析的大温差样品的半球向全发射率测量方法，所述方法的步骤包括： 

S1.选取带状导体材料样品，在所述样品上布置多个热电偶，将样品在真空环境下通电加热至高温，然后断电使样品在真空环境中自然 冷却降温，测量样品在降温过程中多个热电偶测点处的温度变化； 

S2.将所述样品降温过程的温度变化范围分为多个温度子区间，在每个子区间内，将样品的半球向全发射率、导热系数及比热容分别表示为关于温度的数学函数； 

S3.将所述样品沿其轴向分为多个微元控制体，构建样品在降温过程中微元控制体某一时刻的能量平衡方程； 

S4.将所述半球向全发射率函数、导热系数函数及比热容函数代入到样品降温过程中各微元控制体各时刻的能量平衡方程，形成一个方程组，根据样品在降温过程中热电偶测点处的温度值变化数据，获得样品在降温过程中的半球向全发射率、导热系数及比热容的数值变化。 

其中，所述步骤S1中的热电偶测点为三个，其中一个布置在样品中心位置，另外两个位于布置在距离样品中心等距的两边，以样品两边的热电偶测点之间的区域作为分析区。 

其中，所述步骤S2中的数学函数为含有有限个待定参数的线性函数、幂指数函数、多项式函数和对数函数中的一种。 

其中，将所述样品的降温过程等分为Z个温度子区间，在第k个温度子区间内，样品的半球向全发射率、导热系数及比热容用线性函数表示为：