高溫光譜發射率表征新裝置在航天熱防護材料中的實驗應用研究

——以ISiComp®陶瓷基復合材料為例

一、研究背景與目的

隨著可重復使用航天器技術的發展，熱防護系統（Thermal Protection System, TPS）材料在大氣層再入過程中的熱管理能力日益受到關注。光譜發射率（ε）作為決定材料輻射散熱能力的核心熱物性參數，直接影響TPS的熱響應特性與測溫手段的精度，特別是在采用雙色輻射測溫法（Dual-color Pyrometry）等非接觸溫度監測技術中更是關鍵變量。

為應對高溫、復雜輻射環境下TPS材料發射率測試的技術挑戰，本文提出并驗證了一種新型實驗裝置，旨在對由意大利CIRA航天研究中心和PETROCERAMICS聯合開發的陶瓷基復合材料ISiComp®（碳纖維增強SiC基體）進行多波段、多溫區的高溫光譜發射率表征，填補現有測試手段在寬光譜精確測量方面的空白。

二、創新實驗裝置設計

本研究采用了一種集成式測量系統，兼顧精度與光譜覆蓋，突破了傳統單設備測溫在復雜場景下的局限。核心組成包括：

• 參考溫度基準：K型熱電偶（溫度范圍：-200–1100°C，精度：±0.0075T），嵌入樣品內側，實現內部溫度測量。

• 多光譜測溫設備：

• IMPAC IGAR-12LO 雙波長高溫計（1.52 μm & 1.64 μm）

•  紅外熱像儀：分別加裝藍寶石濾光片（2.10 μm）與NB2097濾光片（3.97 μm）

• 微測輻射相機：覆蓋7.5–14 μm長波紅外區

• 樣品配置：測試樣品為直徑12.7 mm、厚度4 mm的圓柱體ISiComp®材料，分為SiC涂層與未涂層兩類，分別進行兩輪升溫測試（450°C → 850°C）。

此多設備協同的布置，在實驗室環境中實現了1.52 μm至14 μm范圍內的連續發射率測量。

三、關鍵測量方法與理論支撐

1. 溫度基準選擇與熱梯度驗證

由于熱電偶測量點位于樣品內側，為確保其溫度可代表表面輻射溫度，研究采用能量平衡模型對樣品厚度方向的熱梯度進行迭代計算，綜合考慮導熱、對流與輻射熱通量。結果表明熱梯度小于1 K，熱電偶溫度可視為準確的參考溫度（T_tc），用于發射率計算。

2. 發射率求解策略

• 熱像儀采用“試錯法”（Trial-and-error）：通過調節熱像儀軟件中的材料發射率參數，直至圖像中選定ROI的平均溫度與熱電偶一致，反推出正確發射率。

• 雙色高溫計基于如下修正公式計算：

  $${?}_{\text{exp}}={?}_{\text{sc}}{\left(\frac{T_{tc}}{T_{\text{sc}}}\right)}^N$$

  其中$T_{tc}$為熱電偶溫度，$T_{sc}$為儀器單波段測溫值，$N$為設備標定常數，考慮波長與探測靈敏度相關。

此方法確保不同設備間的測量互為驗證，實現了高溫多波段精確發射率獲取。

四、實驗結果與分析

1. 發射率特性

• 所有測試樣品在1.52–14 μm波段和450–850°C溫區內均表現出高發射率特性（ε ≈ 0.80–0.98）；

• 未涂層樣品的發射率略高于涂層樣品，尤其在高溫條件下（如850°C，未涂層 ε ≈ 0.94，涂層 ε ≈ 0.91）；

• 在450°C時，2.1 μm波段出現發射率尖峰（ε ≈ 0.99），需分段建模處理。

2. 光譜擬合模型

• 450°C階段（1.52–2.1 μm）：發射率隨波長變化呈線性關系，R2 > 0.97；

• 其他溫度與波段：呈指數衰減關系，擬合方程 y = a - b·c^λ，R2 > 0.94；

• 同一材料在不同加熱循環中表現出高度一致性，驗證了材料熱穩定性與可重復使用性。

五、結論與應用前景

1. 技術貢獻

本研究提出并驗證了一個基于多光譜同步采集+熱參考迭代修正的高溫發射率表征方法，具備如下特點：

• 覆蓋寬波段（1.5–14 μm）；

• 支持高溫測量（至850°C及以上）；

• 可用于多種熱敏材料的非接觸表征；

• 適配當前航天輻射測溫需求。

2. 材料應用價值

測試結果表明ISiComp®具有**高發射率、熱穩定性強、適配雙色測溫條件（灰體假設近似成立）**等優點，適合用作ESA“Space Rider”航天器的再入熱防護材料。

3. 后續研究方向

• 在CIRA的**Scirocco等離子體風洞（PWT）**中模擬真實再入環境，進一步驗證其性能；

• 利用CIRCE加速器進行碳離子注入，研究可調發射率材料在高溫輻射場（T ≤ 1500°C）中的行為，為未來TPS材料的設計與校準提供參考。

六、技術擴展與理論意義

雙色輻射測溫技術雖具有快速、非接觸等優點，但其依賴“灰體假設”（即兩個波長下的發射率近似相等）。本研究通過測試證實ISiComp®為典型的“準灰體材料”，彌補了低發射率材料（如金屬基材料）因光譜劇烈變化導致測溫誤差大的問題，為雙色測溫在航天熱試驗中的工程應用提供材料保障。