失效紅外低發射率涂層發射率測量及分析

匡 鵬， 李益文， 魏小龍， 武 欣， 宣遠勃， 朱 鍵

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

紅外低發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射率涂層3類[1]。紅外低發射率涂層在應用中容易產生鼓泡、脫落、磨損、劃傷、積污等問題，對其長時使用壽命和發射率性能產生影響[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Arrhenius公式研究了涂層壽命的估算方法。為了保證紅外低發射率涂層具有較長的使用壽命，需要對紅外低發射率涂層在使用過程中的性能狀態進行及時測量評估。而低發射率涂層噴涂在設備上之后，只能對其進行原位在線測量。

紅外發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]。而多數發射率測量方法只能用于實驗室測量，為了實現在物體表面直接的原位發射率測量，多采用多波長法或用反射器模擬黑體的方法[14]。基于積分球反射計的便攜式發射率測量儀具有體積小、測量環境要求不高、發射率精度較好等優點[15]。此外，楊立[16]、曹義[17]、李巖峰[18]等人推導了采用紅外熱像儀測量目標發射率的原理，并設計了相關實驗方法。而便攜式紅外熱像儀具有非接觸式、操作簡便、檢測快速、使用便攜等優點，適用于目標發射率原位測量。本文探索采用便攜式發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射率涂層進行原位測量。

1 實驗原理與設備

1.1 便攜式發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，低發射率涂層表面光譜發射率的表達式為：

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，即可得出其表面發射率ε(λ)數值。

基于積分球反射法的便攜式發射率測量儀主要由紅外輻射源、斬波器、積分球光學模塊、探測單元等組成。紅外陶瓷光源發射連續輻射，經過斬波后被調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壁。出射孔上固定的測量反射鏡，將探測立體角內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換為成比例的電壓信號，可以得到低發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，與積分球的直徑D和內壁涂層反射率ρ有關；S(λ)為探測器的光譜響應函數，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，發射率的量值傳遞函數為：

(5)

1.2 便攜式紅外熱像儀發射率測量方法

文獻[16]、[18]通過分析紅外熱像儀接收的有效輻亮度，根據普朗克輻射定律積分得到波段內熱像儀的輻射響應與溫度的關系，并用f(T)≈CTn對該關系近似擬合，得到真實溫度和輻射溫度關系式(6)，進一步可以得到發射率的計算公式(7)。

(6)

(7)

式中：ε為樣品表面發射率；Tr為熱像儀發射率設置為1時所測得的輻射溫度；T0為物體表面的真實溫度；Tu為環境溫度；n為與熱像儀工作波段有關的指數，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 ℃下穩定工作較長時間。根據涂層在使用中可能遇到的損傷情況，在試樣表面設置6個區域，分別為對照區、脫落區、積污區、0.1 mm劃痕區、0.5 mm劃痕區、1 mm劃痕區，分別將這6個區域標記為1、2、3、4、5、6。在每個劃痕區域中設置3個不同的等距劃痕區，劃痕間距Δ分別為2 mm、4 mm、6 mm，例如4區為0.1 mm劃痕區，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。通過溫控設備在30～70 ℃之間設置5個溫度，對試樣進行整體均勻加熱。分別使用便攜式發射率測量儀、紅外熱像儀對同一溫度下的6個區域進行發射率測量。

圖2 試樣

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

圖3 測量儀與實驗示意圖

便攜式紅外熱像儀型號為Testo 882，該熱像儀主要技術參數為：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，為保持穩定成像，使用三腳架對便攜式紅外熱像儀進行支撐。

3 結果及分析

3.1 便攜式發射率測量儀工作穩定性驗證

為了保持便攜式發射率測量儀在長時間工作下的狀態穩定性，測量對照區在5種溫度條件下的發射率數值，分析其在每個溫度條件下的發射率標準差，判斷發射率測量儀是否處于穩定工作狀態。

圖4展示了5種溫度條件下對照區的發射率。可以看出，隨著溫度逐漸增加，該區域的發射率從0.4左右略有下降，但5種溫度的發射率數值都比較平穩。分別對5種溫度條件的發射率求標準差，如表1所示，發射率測量結果標準差均小于0.005，可以認為該便攜式發射率測量儀在多次測量條件下能夠穩定工作，得出的測量結果準確可信。

圖4 5種溫度條件下對照區的發射率

表1 5種溫度條件下對照區的發射率標準差

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

3.2 熱像儀測量結果

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為各區域的輻射溫度Tr。

圖5 不同溫度時的紅外熱圖

表2 各區域的輻射溫度Tr 單位：K

3.3 2種方法測量結果分析

3.3.1 脫落對發射率的影響

由于低發射率涂層脫落，因而實際測量的發射率為基底材料的發射率。圖6為分別使用便攜式發射率測量儀和紅外熱像儀測得的脫落區發射率。

從圖6中可以看出，在低發射率涂層脫落的情況下，測量得到基底材料鈦合金的發射率數值低于0.1，而低發射率涂層的發射率數值在0.4左右，基底金屬發射率數值遠遠低于涂層的發射率。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，因而發射率較低。

圖6 脫落區發射率測量結果

在5種不同溫度條件下，熱像儀測得的脫落區發射率隨著溫度上升有稍微增大趨勢，而發射率測量儀得到的脫落區發射率則相對平穩。總體而言，對于對照區、脫落區的發射率測量，2種方法結果較為接近。

3.3.2 劃痕對發射率的影響

3.3.2.1 便攜式發射率測量儀測試結果

便攜式發射率測量儀的測量結果如圖7、8所示，其中圖7展示當劃痕寬度一定時，間距對發射率的影響，圖8展示當劃痕間距一定時，寬度對發射率的影響。圖中可看出，在各個劃痕條件下，發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，發射率隨著間距Δ的減小而逐漸增大，即劃痕越密集，發射率越大。而從圖8可以看出，當間距Δ為定值時，發射率隨著寬度W的增大而逐漸增大，即劃痕越寬，發射率越大。

圖7 劃痕寬度不變時，不同劃痕間距的發射率(便攜式發射率測量儀)

圖8 劃痕間距不變時，不同劃痕寬度的發射率(便攜式發射率測量儀)

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

表3 各個劃痕條件的發射率最大增加量(發射率測量儀)

可以看出，在寬度W=0.5 mm時，間距Δ分別為2 mm、4 mm所對應的發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的發射率最大增加量，說明在使用便攜式發射率測量儀對試件進行發射率測量時，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果

便攜式熱像儀測得的發射率測量結果如圖9、10所示。從圖9可看出，不同間距Δ下的發射率曲線差別不大，這與便攜式發射率測量儀的結果不同，這是因為熱像圖能夠呈現試件表面的溫度分布，進而準確地定位劃痕位置，準確測量劃痕處發射率。而便攜式發射率測量儀測量的是測量孔對應的局部區域發射率，而劃痕區域包括劃痕和完好部分，說明基于反射法的便攜式發射率測量儀受測量區域整體的表面狀態影響較大。

圖10表明，寬度W分別為0.5 mm、1 mm時，發射率均明顯大于寬度W為0.1 mm時的發射率。從圖5的紅外熱圖可以看出，寬度W=0.1 mm的劃痕區域明顯溫度較低，說明劃痕很細時對涂層發射率的影響較小。在圖10中，當溫度不高于326.4 K時，寬度W=0.5 mm的劃痕發射率明顯小于寬度W=1 mm的劃痕發射率，而當溫度達到334.1 K和345.8 K時，兩者的發射率基本相同。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的劃痕區域表面溫度基本相同，因而計算得到的發射率也基本一致。表明便攜式熱像儀測量發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射率增加量，并將同一劃痕條件下的發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，不同劃痕寬度的發射率(便攜式熱像儀)

表4 各個劃痕條件的發射率最大增加量(熱像儀測量)

3.3.3 積污對發射率的影響

積污是影響低發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，測量積碳區域的涂層發射率。測量結果如圖11所示，在積碳情況下，涂層表面發射率極大的增加。在5種溫度條件下，發射率測量儀測得的積碳區發射率增大到0.8左右，熱像儀測得的積碳區發射率則大于0.8，且整體隨溫度的上升而增大。這可能是由于積碳區雖然發射率較高，但其表面狀態較為平整，使得基于反射法的便攜式發射率測量儀測量結果偏小，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，導致熱像儀測量結果受溫度影響較大。

圖11 積碳區發射率測量結果

4 結語

通過設置5種溫度條件，使用便攜式發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的發射率進行測量，對比分析了3種失效條件對紅外低發射率涂層性能產生的影響。3種失效條件中，脫落和積污對低發射率涂層的影響較大，雖然劃痕對低發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射率的影響需要定量地測量及評估。對比便攜式發射率測量儀和便攜式熱像儀測量結果，當低發射率涂層未受損傷或損傷狀態為脫落時，兩者測量結果比較接近，而對劃痕區和積碳區的測量表明基于反射法的便攜式發射率測量儀受涂層表面狀態影響較大，熱像儀測量結果受溫度影響較大。