高温光谱发射率表征新装置在航天热防护材料中的实验应用研究

——以ISiComp®陶瓷基复合材料为例

一、研究背景与目的

随着可重复使用航天器技术的发展，热防护系统（Thermal Protection System, TPS）材料在大气层再入过程中的热管理能力日益受到关注。光谱发射率（ε）作为决定材料辐射散热能力的核心热物性参数，直接影响TPS的热响应特性与测温手段的精度，特别是在采用双色辐射测温法（Dual-color Pyrometry）等非接触温度监测技术中更是关键变量。

为应对高温、复杂辐射环境下TPS材料发射率测试的技术挑战，本文提出并验证了一种新型实验装置，旨在对由意大利CIRA航天研究中心和PETROCERAMICS联合开发的陶瓷基复合材料ISiComp®（碳纤维增强SiC基体）进行多波段、多温区的高温光谱发射率表征，现有测试手段在宽光谱精确测量方面的空白。

二、创新实验装置设计

本研究采用了一种集成式测量系统，兼顾精度与光谱覆盖，突破了传统单设备测温在复杂场景下的局限。核心组成包括：

• 参考温度基准：K型热电偶（温度范围：-200–1100°C，精度：±0.0075T），嵌入样品内侧，实现内部温度测量。

• 多光谱测温设备：

• IMPAC IGAR-12LO 双波长高温计（1.52 μm & 1.64 μm）

•  红外热像仪：分别加装蓝宝石滤光片（2.10 μm）与NB2097滤光片（3.97 μm）

• 微测辐射相机：覆盖7.5–14 μm长波红外区

• 样品配置：测试样品为直径12.7 mm、厚度4 mm的圆柱体ISiComp®材料，分为SiC涂层与未涂层两类，分别进行两轮升温测试（450°C → 850°C）。

此多设备协同的布置，在实验室环境中实现了1.52 μm至14 μm范围内的连续发射率测量。

三、关键测量方法与理论支撑

1. 温度基准选择与热梯度验证

由于热电偶测量点位于样品内侧，为确保其温度可代表表面辐射温度，研究采用能量平衡模型对样品厚度方向的热梯度进行迭代计算，综合考虑导热、对流与辐射热通量。结果表明热梯度小于1 K，热电偶温度可视为准确的参考温度（T_tc），用于发射率计算。

2. 发射率求解策略

• 热像仪采用“试错法"（Trial-and-error）：通过调节热像仪软件中的材料发射率参数，直至图像中选定ROI的平均温度与热电偶一致，反推出正确发射率。

• 双色高温计基于如下修正公式计算：

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

  其中$T_{tc}$为热电偶温度，$T_{sc}$为仪器单波段测温值，$N$为设备标定常数，考虑波长与探测灵敏度相关。

此方法确保不同设备间的测量互为验证，实现了高温多波段精确发射率获取。

四、实验结果与分析

1. 发射率特性

• 所有测试样品在1.52–14 μm波段和450–850°C温区内均表现出高发射率特性（ε ≈ 0.80–0.98）；

• 未涂层样品的发射率略高于涂层样品，尤其在高温条件下（如850°C，未涂层 ε ≈ 0.94，涂层 ε ≈ 0.91）；

• 在450°C时，2.1 μm波段出现发射率尖峰（ε ≈ 0.99），需分段建模处理。

2. 光谱拟合模型

• 450°C阶段（1.52–2.1 μm）：发射率随波长变化呈线性关系，R² > 0.97；

• 其他温度与波段：呈指数衰减关系，拟合方程 y = a - b·c^λ，R² > 0.94；

• 同一材料在不同加热循环中表现出高度一致性，验证了材料热稳定性与可重复使用性。

五、结论与应用前景

1. 技术贡献

本研究提出并验证了一个基于多光谱同步采集+热参考迭代修正的高温发射率表征方法，具备如下特点：

• 覆盖宽波段（1.5–14 μm）；

• 支持高温测量（至850°C及以上）；

• 可用于多种热敏材料的非接触表征；

• 适配当前航天辐射测温需求。

2. 材料应用价值

测试结果表明ISiComp®具有**高发射率、热稳定性强、适配双色测温条件（灰体假设近似成立）**等优点，适合用作ESA“Space Rider"航天器的再入热防护材料。

3. 后续研究方向

• 在CIRA的**Scirocco等离子体风洞（PWT）**中模拟真实再入环境，进一步验证其性能；

• 利用CIRCE加速器进行碳离子注入，研究可调发射率材料在高温辐射场（T ≤ 1500°C）中的行为，为未来TPS材料的设计与校准提供参考。

六、技术扩展与理论意义

双色辐射测温技术虽具有快速、非接触等优点，但其依赖“灰体假设"（即两个波长下的发射率近似相等）。本研究通过测试证实ISiComp®为典型的“准灰体材料"，弥补了低发射率材料（如金属基材料）因光谱剧烈变化导致测温误差大的问题，为双色测温在航天热试验中的工程应用提供材料保障。