本文由論文團隊撰稿

發(fā)射率是表征固體表面輻射特性的核心參數(shù)，在傳熱分析、紅外偽裝、非接觸式輻射測溫、紅外傳感、遙感等科學研究和工程應用中發(fā)揮著愈發(fā)重要的作用。

獲取準確清晰的發(fā)射率特性在以上領(lǐng)域非常重要，然而固體表面的發(fā)射率并非恒定，它受到溫度、表面成分、涂層、氧化等影響而動態(tài)變化(圖1)。

圖1：影響固體表面發(fā)射率的因素

眾多科研人員針對溫度、表面成分、氧化、涂層對發(fā)射率的影響機理開展研究，并建立出根據(jù)表面溫度、氧化時間等參數(shù)預測發(fā)射率的數(shù)學模型。這些模型能夠在一定程度上幫助研究人員在輻射測溫和傳熱計算中選取合適的發(fā)射率參數(shù)。然而，進一步的研究表明，兩個固體表面即使具有相同的表面成分、溫度和氧化程度，其光譜發(fā)射率仍可能并不一致，其中表面粗糙度的影響較大，但目前粗糙度對固體表面發(fā)射率的影響機理尚不清楚。

前蘇聯(lián)S. G. Agababov使用幾何光學的方法對發(fā)射率和表面形態(tài)之間的函數(shù)進行建模，用于確定具有熱和光學均勻性的灰體漫射粗糙表面的發(fā)射率。然而，該方法計算過程中的關(guān)鍵參數(shù)—粗糙度系數(shù)R獲取困難，應用于隨機粗糙表面時較為不便，至今未有便捷的由粗糙度直接預估表面發(fā)射率的方法。

近日，來自電子科技大學的研究團隊提出基于構(gòu)造二維隨機粗糙表面的發(fā)射率計算方法，用以預測未知固體粗糙表面的發(fā)射率。

該團隊使用已知發(fā)射率的參考表面和目標表面的均方根高度Rq構(gòu)造出二維隨機粗糙表面，并基于構(gòu)造的表面獲取兩個表面的粗糙度系數(shù)R，最終計算出未知粗糙表面的發(fā)射率(圖2)。

圖2：基于構(gòu)造表面的發(fā)射率計算方法

以上研究成果以“A straightforward spectral emissivity estimating method based on constructing random rough surfaces”為題發(fā)表在Light: Science & Applications。

理想灰體模型和非灰體模型常用于輻射分析和計算，但表面粗糙度對這兩種模型的影響仍然不清楚。學者們使用該方法計算了不同粗糙度的灰體和非灰體的表面發(fā)射率，發(fā)現(xiàn)粗糙度可以整體增強灰體和非灰體表面的輻射能力，增強作用隨著粗糙度或初始發(fā)射率的增加而減弱，增大后的發(fā)射率均小于或等于1.0，此結(jié)果與表面發(fā)射率的性質(zhì)吻合。

同時，學者們計算并測量了不同粗糙度的GH3044、K465、DD6和TC4合金的光譜發(fā)射率，計算值與測量值相比最大相對誤差小于5%。分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)射率隨著粗糙度的增大而增加，但增強效果逐漸減弱。同時，粗糙度不會改變整體光譜分布特征，但可能會削弱光譜發(fā)射率的局部特征。

論文信息

Zhang, Z., Chen, M., Zhang, L. et al. A straightforward spectral emissivity estimating method based on constructing random rough surfaces. Light Sci Appl 12, 266 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01312-1

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