复合薄膜表面红外辐射度检测及影响因素

Infrared radiance detection of composite film surfaces and influencing factors

摘要

为了检测低红外辐射度薄膜的红外辐射度，并探究温度、距离、视角对检测结果的影响，论证了温比系数与红外辐射度的理论关系，搭建了可以同时兼容多个试样的测试系统。分别在0°、15°、30°、45° 4个角度及0.8、1.2、1.6 m 3个距离上测试了复合薄膜在773~1 023 K温段内的温比系数，分析温度、距离、视角对其温比系数的影响。结果表明，在测试温段内随着温度的升高，试样温比系数逐渐下降；在测试距离上，各位置试样在0.8 m的温比系数高于1.2 m与1.6 m；在测试角度上，边缘试样在30°、45°的温比系数明显高于0°、15°，这种差距随着测试温度的升高而增大，非边缘试样在4个测试角度内温比系数几乎不变。研究结果为后续多层复合薄膜表面红外辐射度的研究奠定基础。

Abstract

In order to measure the infrared radiance of low-infrared-emittance films and explore the influence of temperature， distance and viewing angle on the detection results，the theoretical relationship between the temperature ratio coefficient and infrared emittance was demonstrated. A testing system that could be compatible with multiple samples simultaneously was constructed. The temperature ratio coefficients of the composite films within the temperature range of 773—1 023 K were tested at four angles with 0°， 15°， 30°， 45° and three distances with 0.8 m，1.2 m，1.6 m， respectively. The influence of detection temperature， distance and viewing angle on the temperature ratio coefficient of the samples was analyzed. The results show that within the tested temperature range，as the temperature increases， the temperature ratio coefficient of the samples gradually decreases； in terms of the tested distances， the temperature ratio coefficient of the samples at each position at 0.8 m is higher than that at 1.2 m and 1.6 m； in terms of the tested angles， the temperature ratio coefficients of the edge samples at 30° and 45° are significantly higher than those at 0° and 15°， and this gap increases with the increase of the testing temperature. The temperature ratio coefficients of the non-edge samples remain almost unchanged within the four tested angles. The research results of this paper lay a foundation for the subsequent research on the surface infrared emittance of multi-layer composite films.

Graphical abstract

关键词

复合薄膜 / 温比系数 / 红外辐射度 / 中高温段 / 测试视角 / 测试温度

Key words

composite film / temperature ratio coefficient / infrared radiance / medium-high temperature region / text viewing angle / text temperature

红外检测技术是侦查军事目标的重要手段之一，其主要依靠分辨目标与背景环境红外辐射度的差异来识别目标^［1］。普朗克黑体辐射定律表明，在固定波长下，目标辐射度与温度及表面发射率相关^［2］。由于飞行器速度加快，发动机推重比增加，导致很难降低热端部件的实际温度。所以通常采取在部件表面添加低发射率薄膜的方式降低其表面发射率^［3-4］。一般使用如Au、Pt、Cr等低发射率金属在部件表面制备成金属薄膜，从而使飞行器获得较低的红外辐射度^［5］。但是，薄膜的表面氧化及基底元素向金属层的扩散效应会导致其在高温环境下的低发性能明显下降^［6-7］。因此，一般在基底与表层薄膜间添加耐高温材料组成多层复合薄膜。

根据哈根-鲁本斯关系^［8］，物体的发射率与电导率成反比。但是，目前仍无合适的理论能够计算复合膜层中各层的电导率。现在比较成熟的理论如 Mie 理论、Rayleigh 理论、几何光学理论，都不能准确计算复合膜层表面红外特征^［9］。对于辐射传输方程的求解目前大多也只能给出数值解^［10-11］，所以通过测试温度上限高、测试周期短、样品兼容度高的能量法直接测试其发射率。但是，基于能量法测试时，其探测器的电压信号输出会受到诸多参数影响^［12］，在不考虑大气透射率及辐射传输损耗的情况下^［13］，探测器接收辐射对应的输出电压信号与探测器的最大灵敏度、单个探测元面积、像方孔径角、\mathrm{视角}、最小空间张角对应目标可视面积、测试距离、系统光学系统透过率、探测器相对灵敏度^［14］等参数相关。其中，除探测器内部参数外，测试距离及视角是影响其电压信号的主要原因。

目前对于这种多层复合薄膜在高温状态下的红外辐射度检测及温度、距离、视角等因素对测试结果影响的研究较少。为此，本文旨在研究这种薄膜在高温状态下表面红外辐射度随温度的变化关系，并探究测试距离及视角对测试结果的影响。本文使用具有多层复合结构的耐高温薄膜试样，搭建基于能量法的红外辐射检测装置，分析温度、距离、角度对试样红外辐射测试的影响。测试温度为773~1 023 K、测试距离为0.8~1.6 m、测试角度为0°~45°。

1 材料和实验

1.1 实验材料

本文制备的金属表层/陶瓷层/中间层/黏结层多层复合薄膜膜层结构示意图如图1所示，这种薄膜在高温下有稳定的低发射率性能。测试试片的基体选用高温合金GH3230，使用线切割将其切成60 mm×60 mm×2 mm的方板，并将其打磨粗糙。采用磁控溅射与多弧离子镀膜的方式在基体表面制成带有多层复合膜结构的试样，如图2所示。

1.2 实验系统

红外探测系统是通过接收视场内某特定波段热辐射亮度分布来确定物体表面辐射特征分布的。然而，探测器所接收的辐射不仅包含被测物体表面的红外辐射，还会叠加物体表面反射的环境辐射及探测器接收的背景辐射等杂散辐射^［15］，如图3所示。

在高温状态下，物体表面辐射能量将远高于环境辐射及背景辐射。由于在大气窗口波段内，主要吸收粒子（H₂O、CO₂分子）对辐射吸收作用较弱，所以在近距离测试中，大气衰减及杂散辐射对探测器接收辐射信号的影响可以忽略不计。

本文设计了如图4的测试系统。温度控制台控温精度为\pm1 ℃。加热装置选择BLMT-RZD型高温炉，最高可容纳长宽高累计不超过300 mm×300 mm×200 mm的试样，最高加热温度为1 400 ℃。红外探测器选择Fortic628CH，工作波段为7.5～13.0 μm，图像分辨率为640×480 Px，热灵敏度为 1 ℃，测温范围为-20～2 000 ℃，测温精度为± 1%。玻纤测温线选择K型玻璃纤维热电偶，测温范围为0~1 000 ℃，测温精度为± 1%。多路测温仪选择科顺仪表KWZ全隔离热电偶测温仪，测温上限为2 000 ℃。

1.3 实验过程

测试时将红外热像仪固定，并使镜头位于炉门口中间，红外热像仪到炉门口距离为0.8 m。将试样嵌入模具并置于高温炉中，并使试样表面垂直于热像仪镜头法线，保证试样距离炉口0.1 m。为避免由炉中位置因素造成测温误差，在炉中并排摆放5个试样，取测试结果的平均值。

编辑加热程序，设定10 ℃/min的升温速率，运行加热程序，将待测试样加热到目标温度。使用测温线及测温仪实时监测并记录温度数据。为保证被测试样受热均匀，计时保温30 min。保温结束后开启炉门，采集测温仪及红外热像仪上的温度数据。单组待测试样测试完成后，关闭加热程序，待其冷却至100 ℃以下。更改热像仪的位置，重复上述步骤，依次完成如图5所示的所有测试点位的测量。

2 结果与分析

2.1 测试温度的影响

根据基尔霍夫定律，漫灰体的发射率等于其吸收率。同时，哈根-鲁本斯关系指出物体的发射率与电导率成反比。

\epsilon \left(\lambda \right)=\mathrm{4}\sqrt[]{\frac{\mathrm{\pi }c{\epsilon }_{\mathrm{0}}}{\lambda \sigma }}（1）

式中：\epsilon为材料发射率；\lambda \mathrm{为波}\mathrm{长};c为真空中光速；ε₀为真空介电常数；σ为材料电导率。 对于非磁性材料，其电导率与电场强度E、磁感应强度H、相对介电常数和角频率等参数有关^［16］。由于多层膜的一维光学结构特性，其发射率仅与不同材料间界面层上的反射率f、透射率\tau及界面间干涉相关^［17］。图6为电磁场传递示意图。如图6所示，各膜层的反射及透射特性将直接影响入射介质在膜层间的电磁场能量，这种影响将反映到探测器在工作波段内检测到的辐射能量上。

所以，在不获得膜层内部电磁场分布及电导率的情况下，可通过直接获取辐射能量的方式获得目标发射率。在特定波长下可通过直接获取辐射能量的方式，黑体的辐射能量E_bλ （T_i ）与其实际温度相关。

E_bλ （T_i ）=\frac{c_{\mathrm{1}}}{{\lambda }^{-\mathrm{5}}}（\frac{\mathrm{1}}{e^{\frac{c_{\mathrm{2}}}{\lambda T_i}}-\mathrm{1}}）（2）

式中：c₁和c₂均为普朗克常数，c₁=3.741×10 ^-16 W·cm²、c₂=1. 438 8×10^-2m·K；λ为波长；T_i 为目标实际温度。物体的发射率\epsilon是其实际辐射度与黑体辐射度的比值，所以物体表面辐射率\epsilon与温度T的关系可表示为

\epsilon =\frac{e^{\frac{c_{\mathrm{2}}}{\lambda T_n}}-\mathrm{1}}{e^{\frac{c_{\mathrm{2}}}{\lambda T_r}}-\mathrm{1}}（3）

式中：T_r 为复合薄膜表面红外表观温度；T_n 为镀膜试件实际温度。式（3）表明，当波长固定时，表面发射率与上述两个温度比值直接相关。为简化计算，定义温比系数C为

C=\frac{T_r}{T_n}（4）

温度在773~1 073 K范围内，结合红外热辐射定律计算7~14 μm波段内发射率\epsilon与温比系数C的关系，如图7所示。由数值计算结果可知，在给定温度范围内，发射率\epsilon与温比系数C呈完全正相关，证明了以温比系数C来表征试样表面发射率的合理性。

在测试温段内，温度-温比系数曲线如图8所示。在测试温段内，随着温度的升高，物体的红外表观温度及辐射能量都会不断升高。但是，在测试温段内，温比系数随温度的升高而降低。分析认为，在测试温度、辐射能量升高的情况下，多层膜结构中间的某层或多层界面层上的反射率及透射率升高，导致场强及能量的传递发生变化，最终导致其表面温比系数降低。

2.2 测试距离的影响

在某一测试温度下，热像仪的输出电压^［14］ 为

V（T）=\mathrm{\pi }R_maxA_d\rhosin²u\text{'}\mathrm{c}\mathrm{o}{\mathrm{s}}^{\mathrm{4}}\theta \tau \left(\lambda \right)·

s(\lambda )\epsilonA₀d^-2E_bλ（5）

式中：Ｒ_max为探测器的最大灵敏度；A_d 为单个探测元的面积；u'为像方孔径角；\theta \mathrm{为视}\mathrm{角}；A₀为热像仪最小空间张角对应目标可视面积；d为测试距离；τ 为光学系统透过率；s为探测器相对灵敏度。

探测器接收到的目标辐射强度与二者距离的平方成反比，但在目标辐射强度不变时，随着距离的增加，目标对热像仪所形成的张角减小，对应目标可视面积会发生变化。所以理论上来说，在被测试样完全充满热像仪窗口的距离下，探测器输出的电压信号最强。图9为不同距离温度-温比系数曲线。图9中，数据点为提取炉中5个试样的表面温比系数平均值，其中0.8 m为被测试样横向充满热像仪窗口的距离。

分析不同距离的温度-温比系数曲线，各测试距离下试片表面温比系数均随温度的升高而减小，与2.1节规律相同。0.8 m距离处测得的温比系数明显高于1.2 m处测得的温比系数，且随着温度的升高，仪器接收整体辐射变多，温比系数差值增大。为进一步探究其原因，分析1 023、983、943、903、863 K表面温比系数分布。结果表明，0.8 m距离下大部分测点的温比系数都高于1.2 m，且在0.8 m处试样下方温比系数出现突变，突变范围随温度升高逐渐增大。在满视野状态下，目标距离热像仪过近，部分检测区域受到叠加辐射的影响导致仪器接收到干扰辐射。测试距离增加至1.6 m发现，其与1.2 m处测得的表面温比系数几乎相同。分析1.2 m处温比系数发现，当距离超过满视野状态时，叠加辐射不再对表面温比系数产生影响。根据式（5），当距离变化时热像仪输出电压主要与A₀d^-2的值有关。热像仪成像原理表明，辐射源完全处于热像仪视场内时，A₀d^-2的值为热像仪的像元尺寸与焦距比值的平方，为定值。因此，在无叠加辐射影响时，距离从1.2 m增加至1.6 m并不会导致温比系数发生变化。

2.3 测试角度的影响

根据式（5），当热像仪垂直于待测目标时，接收到的红外辐射信号最强；当其与垂直方向成一定夹角时，红外热像仪接收到的辐射信号出现衰减。为了探究红外热像仪接收辐射信号的衰减与目标垂直方向夹角的关系，取测试温度为773~1 023 K，热像仪与垂直方向夹角分别为0°、15°、30°、\mathrm{45}°，取炉内5个试样表面温比系数取平均值，得到不同角度的温度-温比系数曲线，如图10所示。

分析图10中不同角度的温度-温比系数曲线可知：在0°、\mathrm{15}°夹角下，测得试样的表面温比系数仅与温度有关，并不随夹角的变化而改变；但在30°、\mathrm{45}°夹角下，试样测得表面温比系数明显增高。为分析其原因，分别观察5个试样在测试温度为773~1 023 K、测试角度分别为30°、45°范围内，表面温比系数均值随测试温度的变化曲线，发现试样1—4在30°、\mathrm{45}°\mathrm{角度}\mathrm{下}检测到的温比系数基本不随角度改变而发生变化，仅试样5表面温比系数在30°、\mathrm{45}°夹角下随夹角增大而迅速增大，这是造成整体温比系数均值突增的主要原因。

炉中5个构件的真实温度相同，温比系数的突变来自红外表观温度的变化。为进一步探究试样5表面温比系数变化的原因，提取试样5在测试角度分别为30°、45°，测试温度分别为943、983、1 023 K时的红外表观温度分布。结果表明：所有测试温度下均在左侧出现大面积的高温点位，且各角度下高温面积并不随着测试温度的升高而变大。所以分析认为，试样5表观温度突变是由于其靠近边缘位置，在测试角度过大时表面左侧区域发生高温反射，这使得热像仪接收到的反射辐射能量远高于材料本身的热辐射能量。随着反射高温干扰源温度的升高，探测器对辐射源的分辨能力降低，最终导致测得的温比系数剧增。

3 结论

在773~1 023 K的测试温段内，对0°、15°、30°、45° 4个角度及0.8、1.2、1.6 m 3个距离上复合薄膜的红外辐射进行测试，应用温比系数简化计算，得出如下结论：

1）本文根据辐射传输及基本红外辐射理论，论证了能量传递与多层复合薄膜表面发射率的关系，定义温比系数简化发射率计算并验证其可行性。实验结果表明，测得多层复合薄膜在各测点的温比系数均随着测试温度的升高而降低。

2）在满视野（0.8 m）状态下，测得温比系数最高，并且随着测试温度的增加，0.8 m处的温比系数与1.2 m及1.6 m处差值逐渐增大。测试距离从1.2 m增加至1.6 m得到的温比系数基本相同。结果表明，测试距离超过满视野之后，探测器所接收的辐射强度基本不再随距离而改变。

3）在30°、45°测点，高温反射会使边缘试样温比系数剧增。其余试样在0°~45°所测得的温比系数仅与温度相关。结果表明，在不发生表面反射的情况下，测试角度在45°范围内表面温比系数基本与测试角度无关。

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基金资助

辽宁省航发材料摩擦学重点实验室开放课题(LKLAMTF202204)