探索热辐射：红外发射率的调控艺术与应用(航天篇)

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红外发射率（Emissivity,ε）作为表征材料表面热辐射能力的核心物理参数（定义为物体在相同温度下辐射能量与理想黑体辐射能量的比值，0≤ε≤1），其数值大小深刻影响着材料与外界环境的热交换过程。这一参数并非固定不变，而是受材料成分、表面粗糙度、工作温度及观测波段等多种因素的综合调控。正是由于这种可调控性及其对热辐射行为的决定性作用，红外发射率在众多科技领域扮演着至关重要的角色，其精确测量与有效调控是实现特定功能的关键。

随着航空航天、国防安全等高精尖技术的快速发展，以及全球能源危机加剧、环境问题日益突出，对材料热辐射特性的精准控制需求愈发迫切。红外发射率的研究与应用，已从基础物理特性探究，广泛渗透到关乎国家战略安全和人类可持续发展的多个前沿领域。本文旨在系统梳理红外发射率的核心应用场景，聚焦其在航空航天热控技术、隐身与伪装材料性能检测，以及节能材料与建筑热管理三大关键领域的最新进展与核心价值。

研究过程

1. 航空/航天热控材料开发

航天器进入太空之后，严酷的力学环境基本消失了，取而代之的是严酷的热环境。在地球轨道上，航天器面朝太阳的一面可以热到上百摄氏度，而背朝太阳的一面则可以冷到零下上百摄氏度。因此，航天器必须具备强大的热控本领，才能在这样的极端环境下正常工作。

多年来国内外经验表明，航天器在轨故障中的70%是由于在轨空间环境的影响诱发的，其中空间真空热环境诱发故障约占故障总数的50%。

航空/航天热控材料是一种专门用于控制和调节航天器热量的材料，它们能够通过吸收、反射、辐射等热交换方式，在极端温度变化的空间环境中保持航天器的温度稳定，确保仪器设备正常工作。这些材料通常具有优异的热物理性能，如高热导率、低热膨胀系数和可调红外发射率等，广泛应用于航天器的表面涂层、隔热层、散热器等部件，是航天器热控制系统不可或缺的关键组成部分。

图 1 空间站的热控系统（李运泽，2007）

航天器热控技术包括被动热控技术和主动热控技术两大类。被动热控技术主要依靠材料的热物理特性来实现热控制，不需要额外的能源输入。主动热控技术则通过主动调节来实现热控制，通常需要能源输入和控制系统。

被动热控技术构成了航天器热管理的核心，鉴于所有航天器都必须采用一种或多种此类技术。该技术主要依赖于航天器的合理布局，精心挑选热控组件，并妥善安排航天器内外的热交换流程，确保其结构和仪器在极端温度条件下仍能保持在安全的温度界限内。

被动热控技术的优势在于其技术的简便性、运行的可靠性（无移动部件）以及长久的使用寿命。特别是其高可靠性，对于航天器的应用来说至关重要。常见的被动热控技术包括热控涂层、多层绝热系统、相变材料装置、热管技术以及界面导热（或隔热）技术等。

1.1 热控涂层

热控涂层是专门用来调整固体表面热辐射性质从而达到热控制目的的功能材料。热控涂层是航天器常用的一种被动热控制技术，选用合适的热控涂层，能使航天器某些部位处于期望的温度范围内。

航天器表面的太阳吸收比、半球发射率是两个重要的可控热辐射性能参数。采用不同太阳吸收比和半球发射率的热控涂层，可决定暴露于空间环境中航天器表面热平衡温度水平。

假设在空间有一等温物体，它只受到太阳的直接照射，没有地球反照、地球红外辐射以及内热源等影响，那么，在达到稳定状态时，它所吸收太阳的热量等于它辐射的热量，物体表面的热平衡温度与太阳吸收比和半球发射率的比值1/4次方成正比。

因此，通过在物体表面选用不同热辐射性质的热控涂层，可以得到不同的热平衡温度。在对航天器进行热设计时，按照其在轨各瞬间所受外热流和内功率情况，在各个部位合理选择涂层的热辐射性质，再配合其他热控措施，可使各个部位处于适宜的温度范围。

热控涂层的分类形式较多，比如，按照热辐射性质的不同，它们可分为低吸收（＜0.20）、中吸收（=0.20～0.80）、高吸收（＞0.80）、低发射（＜0.20）、中发射（=0.20～0.80）、高发射（＞0.80）、低吸收－发射比（＜0.40）、中吸收－发射比（=0.40～1.10）、高吸收－发射比（＞1.10）等类型。

按照组成的不同，热控涂层可分为金属（不锈钢、金、黑镍等）、氧化铝、涂料、玻璃－铝、塑料薄膜－铝（金、银）、二氧化硅－铝等类型。

按照制备方法的不同，热控涂层主要可分为以下六种类型。

表 1 热控涂层的基本性能比较（侯彬，2021）

1.2 多层隔热组件（Multilayer Insulator，MLI）

多层隔热组件（Multilayer Insulator，MLI）是航天器最常用的辐射隔热措施，一般由具有低发射率的反射屏和低导热系数的隔离层相互交替叠合而成。由于多层隔热组件在低于0.001Pa的真空环境下其辐射隔热性能非常好，而宇宙空间自身就是一个真空度极高的环境，所以多层隔热组件是航天器上一种常用材料，用于屏蔽高温或低温环境对仪器设备的影响。实际上，几乎所有的航天器都会采用多层隔热材料来管理热能。在航天器中应用多层隔热材料通常有两个主要目的：首先，尽量减少星载仪器和设备的热量散失；其次，隔绝来自外部环境的热流、火箭排气羽流以及其他热源的热辐射。

ML结构（如下图）主要由具有高反射能力的反射材料和间隔层材料组成。通过增加反射材料的层数可以减小辐射传热的传热量，但反射材料层数的增加会导致反射层间物理接触的概率增加，从而导致固体传热量的增加:增加间隔材料层可以减少固体传热的传热量，气相介质传热则与体系内的真空环境相关，当真空度较高时，体系中大部分的气体分子被去除，因此与前两种传热方式相比,气相介质传热量很小。

图 2 MLI结构示意图（赵一搏，2013）

多层隔热材料展现了非凡的隔热效果，其理论上的当量导热系数可低至10-5 W/（m·K），远超其他无论是抽真空还是未抽真空的隔热材料，其性能优势在数量级上更为显著。因此，有时人们也将其誉为超级隔热材料。除此之外，这种材料具有轻质、不挥发、无尘埃的特点，并且安装相对便捷，因此被广泛应用于各种航天器的隔热部位。

1.3 相变材料热控

众所周知，自然界物质在一定条件下会发生相变，而相变时伴随着能量的释放和吸收，且其温度基本保持不变。利用物质的这种特性，实现航天器温度控制，称为相变材料热控或相变材料热控装置（简称相变材料装置）。目前研究得最多并已得到实际应用的相变材料是固-液型（也称熔化-凝固型）相变材料。

相变材料的种类很多，多达6000种以上。按相变的形式，可分为固-固、固-液、气-液、气-固4种相变材料，一般来说按上述分类顺序，其相变潜热逐渐增大。由于气-液、气-固相变过程中产生大量气体，使得相变装置必须能承受气体膨胀高压而变得复杂。目前在航天器热控设计中普遍采用的是固-液相变材料，它的相变潜热较大但相变体积变化小、相变温度范围广。

相变材料热控的工作原理是，将相变材料放置在被控设备与外部环境之间，如下图所示，当相变材料与被控设备（发热部件）的界面温度升高到相变材料的熔点时，相变材料熔化并吸收与熔化潜热相当的热量，使界面温度保持在熔点温度附近；当界面温度由于内部或外部原因而下降时，相变材料凝固并放出潜热，维持界面温度基本不变。

图 3 相变材料装置示意图（王磊，2013）

根据这一工作原理，相变材料可按要求设计成既是热沉又是热源的可逆系统。它特别适用于具有周期性工作的脉冲式热源特点的设备和部件，也可用于一次性工作的发热部件，控制部件因工作发热而引起的温度升高。

图 4 含有相变材料的热管截面图（王磊，2013）

2. 热控材料重要性能之一：半球发射率

在航天领域，热控系统直接决定了航天器在极端环境下的生存和工作能力。其中，热控材料的一个核心性能指标——半球发射率，尤为重要，堪称航天器的“体温调节师”。半球发射率（εh）即材料在半球空间范围内，其热辐射能力与理想黑体辐射能力的比值。这个指标之所以在航天领域备受关注，主要有以下几个原因：

航天器热平衡的基石：在太空近乎真空的环境中，热辐射是航天器与外部环境交换热量的主要甚至唯一途径；通过在地球同步轨道等复杂热环境下精确设计和控制表面涂层的半球发射率，可以有效保障航天器热平衡。

热控涂层的设计依据：航天器不同部位对热控有截然不同的需求。散热部位：如朝向太阳的舱壁或电子设备舱，需要高发射率涂层（ε可达0.9） 来最大限度地将内部热量辐射到宇宙空间中。保温部位：如推进剂贮箱或精密光学仪器，则需要低发射率涂层（如抛光金属或镀金层，ε可低至0.05） 以最小化吸热和自身热辐射，起到“热绝缘”效果。

决定材料选择与验证：从黑色的高发射率涂层到光亮的低发射率金属表面，半球发射率是筛选、研发和评价这些热控材料的关键性能参数。

2.1 EM100半球发射率测量仪：为航天材料“精准测温”

在航天器的研发、制造和维护过程中，能否快速、精准地测量材料的半球发射率至关重要。北京安洲科技有限公司开发的EM100便携式半球发射率测量仪正是为此而设计的专业设备，其核心功能和指标如下：

双角度精准测量：EM100可进行20°和60°两个方向的定向-半球反射率（DHR）测量，从而获得准确的半球发射率εh值。其中20°方向的测量结果可近似为材料的法向发射率，这对于航天热控设计的精确计算非常重要。

宽波段覆盖：仪器拥有1~25μm的宽广测量波段。该波段范围覆盖了物体在太空环境中热辐射的主要能量分布，使测量数据更接近材料的真实特性。

出色的便携性与易用性：整机重量小于1千克，符合人体工学设计，支持手持与电脑控制两种模式。工程师可以轻松地将其带到实验室、生产车间甚至大型航天器组装现场进行原位测量，实现对大型、已组装部件的现场快速检测。

可靠的测量精度：仪器测量精度达到±0.02，重复性为±0.01，能够灵敏区分不同热控涂层的细微性能差异，为材料选择和设计验证提供可靠依据。

2.2 EM100在航天领域的应用前景

EM100便携式半球发射率测量仪的特性，使其在航天热控材料领域拥有广泛的应用前景：

研发阶段的高效筛选：在新型热控涂层（如智能变色热控器件）的研发初期，EM100可快速测量不同配方样品在不同状态（如高发射态和低发射态）下的半球发射率，大幅提升研发效率。

生产环节的质量卫士：在热控涂层的生产过程和航天器涂覆施工阶段，EM100可作为严格的质量控制工具，确保每一批材料、每一个部件的表面发射率都符合热设计模型的严苛要求。

在轨维护与地面验证：对于可重复使用航天器或返回式飞行器，任务结束后可用其检测热控涂层在经历极端空间环境（如原子氧侵蚀、紫外辐照）后的性能衰变情况，为评估在轨寿命和维护提供数据支持。

提升仿真模拟的准确性：在进行航天器热管理仿真时，EM100提供的精确发射率值是获得可靠仿真结果的关键输入数据。

信息来源：https://www.azup.cn/newsinfo/8068245.html 

参考文献：

[1]李运泽, 宁献文, 王晓明, 等. 航天器热控系统的可靠性设计与分析[J]. 中国工程科学, 2007, (07): 53-56.

[2]侯彬. 航天器热控涂层研究进展[J]. 现代雷达, 2021, 43(01): 86-90.

[3]石进峰, 吴清文, 陈立恒, 等. 多层隔热材料飞行试验研究综述[J]. 中国光学, 2013, 6（04）: 457-469.

[4]赵一搏, 杨汝平, 邱日尧, 等. 多层隔热结构研究进展[J]. 宇航材料工艺, 2013, 43(04): 29-34.

[5]王磊, 菅鲁京. 相变材料在航天器上的应用[J]. 航天器环境工程, 2013, 30（05）: 522-528.