材料的选择性热辐射机理
隔热涂层原理
隔热涂层原理隔热涂层是指涂于表面的一种具有隔热功能的涂层。
隔热涂层的主要原理是减少表面的热辐射、热传导和对流传热。
本文将从减少热辐射、减少热传导和减少对流传热三个方面阐述隔热涂层原理。
1.减少热辐射热辐射是指物体通过电磁波辐射出的热能。
隔热涂层能够减少热辐射的原理主要是涂层能够对表面的电磁波吸收和反射进行调控，从而减少热辐射。
隔热涂层的主要成分是选择性吸收材料和反射材料。
选择性吸收材料可以选择性吸收不同波长的电磁波，从而将其转化为热能，并防止其辐射到空气中。
反射材料则是将其反射回表面，减少热能的损失。
涂层中加入适当的反射材料和选择性吸收材料，就可以调控表面的电磁波吸收和反射，从而达到降低热辐射的目的。
2.减少热传导热传导是指物体内部热量的传递现象，由于物体内部分子间的相互碰撞而产生。
隔热涂层能够减少热传导的原理主要是涂层能够增加表面的热阻，阻碍热量传递。
隔热涂层的主要成分是绝缘材料和填充材料。
绝缘材料是指材料导热系数很低的材料，可以起到减缓热量传递的作用。
填充材料是将绝缘材料和空气混合得到的材料，其导热系数也很低，能够增加表面的热阻。
涂层中加入适当的绝缘材料和填充材料，就可以增加表面的热阻，从而减少热传导的损失。
3.减少对流传热对流传热是指空气或液体在物体表面流动时，由于温度差异而引起的热量传递现象。
隔热涂层能够减少对流传热的原理主要是通过涂层的表面形态和涂层的厚度进行调控，从而减少空气或液体在表面的流动。
隔热涂层的表面形态可以分为光滑表面和粗糙表面。
光滑表面不易形成气流，从而减少空气对流传热的现象。
粗糙表面则能够阻力空气或液体的流动，从而减少对流传热的损失。
涂层的厚度也会对对流传热产生影响，涂层越厚，空气循环的位置就越远离表面，从而对流传热损失就越小。
综上所述，隔热涂层的主要原理是减少表面的热辐射、热传导和对流传热。
通过调控涂层的成分、表面形态和厚度，就可以实现隔热涂层的功能。
隔热涂层的应用领域很广，如航空航天、建筑、汽车、冶金等。
金属冶炼中的热辐射与传热机理
热辐射和传热对金属熔点和结 晶过程的影响
金属组织结构的演变与热辐射 和传热的相互作用
不同金属的热辐射和传热特性 对组织结构的影响
控制热辐射和传热以优化金属 组织结构的方法
金属冶炼中热辐射 与传热的实际应用
钢铁工业中热辐射与传热 的重要性
高炉炼铁中的热辐射与传 热机理
轧钢过程中的热辐射与传 热应用
金属冶炼过程中，热辐射和传热的相互作用会影响金属的熔化速度和熔融状态，从而影响金属的冶炼质量和效率
温度场对金属熔点的影响：高温熔融状态下的金属更容易进行冶炼和提纯。
温度场对金属相变的影响：不同温度下，金属会发生相变，影响其物理和化学性质。
温度场对金属扩散的影响：高温下，金属原子或分子的扩散速度加快，有利于冶炼过程 中的成分均匀化。
制和优化。
探索金属冶炼 过程中的新型 热工技术，提 高生产效率和
节能减排。
添加 标题
数值模拟：通过计算机模拟金属冶炼过程中 的热辐射与传热行为，预测和优化工艺参数。
添加 标题
实验研究：通过实验手段获取金属冶炼过程中 的热辐射与传热数据，验证数值模拟的准确性 和可靠性。
添加 标题
结合方式：将数值模拟与实验研究相结合，形 成完整的金属冶炼热辐射与传热研究体系，提 高研究效率和准确性。
热辐射的特点：不受物质媒介的限制，可以穿越真空传递能量
热辐射与其他传热方式的比较：热辐射的传热效率通常高于热传导和热对流，特别是在高温环 境下
金属冶炼中的热辐射：在金属冶炼过程中，热辐射是主要的传热方式，能够有效地将热量传递 给熔融态的金属
金属冶炼中的传热 机理
传热是热量从高温物体传递到低温物体或从物体的高温部分传递到低温部分的过程
4.2 热辐射基本理论
πr
2
dA1dA2
A1投落到 A2 上的辐射能：
Qb (1→ 2) = Eb1 ∫A ∫A 1 2 cos θ1 cos θ 2
πr
2
dA1dA2
黑体表面 A1所发射的总能量：
Qb1 = A1 Eb1
总能量 Qb1 中投落到 A2 上的部分所占的比例：
物体的吸收具有选择性：实际物体的光谱吸收率 αλ 随波长 λ 变化；实际物体的 αλ 是波长 λ 的函数
实际物体的吸收率α不仅取决于物体本身材料的种类、 温度及表面性质，还与投入辐射的波长分布有关 即：物体表面的吸收率α 与吸收表面和投射表面的性 质、温度都有关；它比发射率更复杂
三、灰体
灰体 — 实际物体的理想化 灰体：假设其光谱发射率 ελ （或光谱黑度）和光谱 吸收率 αλ 与波长无关 自然界中不存在灰体，它是一种假想的物体 实际物体在红外波长范围内可近似看作灰体（在工业 高温条件下，多数材料热辐射处于红外线） 对于灰体：
dqi = I bλ ,T ⋅ dA2 ⋅ dΩ ⋅ dλ 式中：Ibλ,T表示温度为 T 的黑体（黑体空腔）的单色
辐射强度 立体角： dΩ =
dA1 cosθ r dA1 cosθ
2
dqi = I bλ ,T ⋅ dA2 ⋅
r2
⋅ dλ
被dA1表面吸收的能量为：
dqa = α λ ,θ ,T ⋅ dqi = α λ ,θ ,T ⋅ I bλ ,T ⋅ dA2 ⋅
实际物体的发射率（黑度）
E (T ) = ε= Eb (T )
∞ ∫0 Eλ dλ σ bT 4
ε
=
∞ ∫0 ε λ Ebλ dλ σ bT 4
热辐射基本定律及物体的辐射特性
5、光谱辐射（单色辐射） 对于某一特定波长下的辐射称为光谱辐射或单
色辐射。 对光谱辐射相应有光谱吸收比、光谱反射比和
光谱透射比。 1
()() () 1
关于物体的颜色
我们所看到的物体颜色是由于从该表面发出的 单色光线（辐射）投入到了我们的眼睛。
而从表面发出的辐射可能是自身发射的，也可 能是反射投入其表面上的可见光。
的份额分别称为吸收比、反射比 和透射比 。
G
G
G G
G G
1
3、镜反射和漫反射 视物体表面状况（平整程度）和投入辐射的波
长，表面的反射又分为镜反射和漫反射。
(a)镜反射
(b)漫反射
漫反射是把来自任意方向、任意波长的投入辐
射以均匀的强度（不是“能量”）反射到半球空间所 有方向上去。注：除了经特殊处理的金属表面，大
如果仅考虑某特定
p
波长的辐射，那么相应
可见辐射
的量被称为定向光谱辐
面积
射强度 L(,) 。
dA
(4) 定向辐射力
是指单位时间、单位辐射面积向空间指定方向
所在的单位立体角内发射的全波段辐射能量。用
符号 E 表示。
E
d()
dAd
因此可得：
E L()cos
E 2Ed
§8-2 黑体辐射的基本定律
一、黑体与黑体模型
三、斯忒藩-玻耳兹曼定律
黑体辐射的辐射力与温度的关系遵循斯忒藩-波 尔兹曼定律：
E b0 E d0 eC C 2/1 T 5 1dT4
Eb T4
Eb
C0
T 4 100
5.67108 W/2(m K4)
C05.67W/2(m K4)
波段范围内辐射力的计算
热辐射原理和计算
公式
韦恩位移定律可以用数学公式表示为:λ_max = b / T，其中λ_max是辐射波长峰值，b是韦恩位移常数，T是绝对温度。
应用
韦恩位移定律广泛应用于天文学、气象学和工业热工技术中,可以帮助预测和分析不同温度下的辐射特性。
热辐射的计算方法
公式计算
利用热辐射定律,如斯蒂芬-玻尔兹曼定律、普朗克定律等,可以通过计算得出物体的辐射热量。
热辐射的热量计算
辐射热量公式
热辐射的热量可通过斯蒂芬-玻尔兹曼定律计算：Q = ε × σ × A × (T₁⁴ - T₂⁴)，其中Q为热量,ε为发射率,σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数,A为表面面积,T₁和T₂分别为两物体的绝对温度。
物体属性影响
物体的发射率和吸收率是影响热辐射量的重要因素。光滑表面和黑色物体通常具有较高的吸收率和发射率,而镜面和白色物体则相反。这些属性需要在计算中考虑进去。
光污染
城市照明设备和工业发出的热辐射可能会对动物和植物的生理节奏产生干扰,导致环境生态失衡。
温室效应
温室气体
温室效应是由人类活动排放的二氧化碳、甲烷等温室气体造成的现象。这些气体吸收和散射地表辐射,导致地球气温上升。
气温升高
温室效应导致全球平均气温持续上升,冰川融化,海平面上升,极端天气事件频发,对生态环境和人类社会造成严重影响。
灰体辐射
灰体辐射是一种非理想的热辐射,其辐射特性与黑体不同。灰体的辐射特性由辐射率(发射率)来描述,辐射率小于1。不同的材料和表面状态会有不同的辐射率,这是影响热交换的重要因素。
灰体的辐射功率可以通过斯蒂芬-玻尔兹曼定律和灰体的辐射率计算得到。相比理想的黑体辐射,灰体辐射功率会更小。
选择性辐射
选择性辐射是指物体只能对特定波长的光辐射吸收或发射,而不能对其他波长的光辐射产生反应的现象。这种现象与物体的物理化学性质密切相关,是热辐射行为中一个重要的特点。选择性辐射使得不同材料和表面能够有不同的辐射特性,从而在工程应用中可以得到广泛利用。
热辐射传热机理在整流罩设计中的工程应用案例分析
热辐射传热机理在整流罩设计中的工程应用案例分析随着现代工业技术的不断发展，热辐射传热技术在航空航天工程中得到了广泛的应用。
整流罩设计是航空航天工程中的一个重要组成部分，对于飞行器的速度和稳定性有着重要的影响。
因此，应用热辐射传热机理来优化整流罩的设计已成为了当前航空航天工程中的一个研究热点。
一、整流罩的设计及其作用整流罩是安装在机身外壳前缘的外形结构，其主要作用在于减小空气的阻力，提高飞行器的速度和降低其燃油消耗。
在整流罩设计上，主要要求其具有稳定性、流线型、阻力小等特点。
同时，在具体的工程应用中，还需结合飞行器的类型、速度、高度、气动热特性、操作环境等因素进行综合设计。
二、热辐射传热技术在整流罩设计中的应用热辐射传热技术是现代航空航天工程中的一种重要技术手段。
该技术基于辐射传热原理，利用热辐射传热特性来对整流罩的设计进行优化。
具体应用包括：1.材料选择：通过选择高温抗氧化材料，避免材料受损，以及减小整流罩重量，从而提高飞行器的载荷能力。
2.热防护设计：通过增加整流罩的厚度、大小、形状等，降低其表面温度，达到抵御高温气流侵蚀的作用。
3.气动热分析：应用热辐射传热技术，对整流罩的气动热特性进行分析，提高整流罩对气动热的抗性。
4.结构优化：应用热辐射传热技术对整流罩结构进行优化，减小其空气阻力，从而提高飞行器速度和降低燃油消耗。
三、实例分析以飞行器号为例，为了提高其速度和稳定性，需要对整流罩进行优化设计，并运用热辐射传热技术来降低整流罩的温度，从而延长其使用寿命。
在具体实践中，采用了多种设计手段：1.采用高温抗氧化材料，保证整流罩的耐高温性能。
2.采用空气冷却技术，将冷却后的气体引入整流罩内部，实现对整流罩的冷却，从而降低其表面温度。
3.利用热辐射传热技术，对整流罩的气动热特性进行分析，优化整流罩结构的同时提高其对气动热的抗性。
4.通过对整流罩设计进行多次优化，减小整流罩的空气阻力，提高了飞行器的载荷能力和速度。
陶瓷材料辐射原理
陶瓷材料的热辐射机理简介我们知道，热交换的基本途径为：传导、对流和辐射。
为了有效散热，人们常通过减少热流途径的热阻和加强对流系数来实现，往往忽略了热辐射。
LED灯具一般采用自然对流散热，散热器将LED产生的热量快速传递到散热器表面，由于对流系数较低，热量不能及时地散发到周围的空气中，导致表面温度升高，LED的工作环境恶化。
提高辐射率可以有效地将散热器表面的热量通过热辐射的形式带走，一般铝制散热器通过阳极氧化来提高表面辐射率，陶瓷材料本身可以具有高辐射率特性，不必进行复杂的后续处理。
辐射机理陶瓷材料的辐射机理是由随机性振动的非谐振效应的二声子和多声子产生。
高辐射陶瓷材料如碳化硅、金属氧化物、硼化物等均存在极强的红外激活极性振动，这些极性振动由于具有极强的非谐效应，其双频和频区的吸收系数，一般具有100~100cm-1数量级，相当于中等强度吸收区在这个区域剩余反射带的较低反射率，因此，有利于形成一个较平坦的强辐射带。
一般来说，具有高热辐射效率的辐射带，大致是从强共振波长延伸到短波整个二声子组合和频区域，包括部分多声子组合区域，这是多数高辐射陶瓷材料辐射带的共同特点，可以说，强辐射带主要源于该波段的二声子组合辐射。
除少数例外，一般辐射陶瓷的辐射带集中在大于5m的二声子、三声子区。
因此，对于红外辐射陶瓷而言，1~5m波段的辐射主要来自于自由载流子的带内跃迁或电子从杂质能级到导带的直接跃迁，大于5m波段的辐射主要归于二声子组合辐射。
刘维良、骆素铭对常温陶瓷红外辐射做了研究，测试的陶瓷样品红外辐射率约0.82~0.94，对不同表面质量的远红外陶瓷釉面也进行了测试，辐射率约0.6~0.88，并从陶瓷断口SEM照片中得出远红外陶瓷粉在釉中添加量为10wt%时的辐射性能、釉面质量、颜色和成本较佳，其辐射率达到了 0.83，其他性能均达到国家日用瓷标准要求。
崔万秋、吴春芸对低温远红外陶瓷块状样品进行了测试，红外辐射率为0.78~0.94。
第7章-热辐射的基本定律1
第七章热辐射的基本定律在工程技术中，在日常生活中，辐射换热现象是屡见不鲜的。
太阳对大地的照射是最常见的辐射现象。
高炉中灼热的火焰会烘烤得人们难以忍受‘太阳对人造卫星的辐射，会使卫星的朝阳面的温度明显地高于卫星背阳面的温度；高温发动机部件与飞机机体之间的辐射换热严重地影响着飞机的结构与强度设计，等等。
特别是近年来，人类对太阳能的利用，都大大地促进了人们对辐射换热的研究。
本章首先介绍辐射的基本特性和基本规律；然后重点讨论物体之间的辐射换热规律；最后对气体辐射换热的特点作扼要的介绍。
第一节基本概念1－1 热辐射的本质和特征由于不同的原因，物体能够向其所在的空间发射各种不同波长的电磁波；不同波长的电磁波具有不同的效应，人们可以利用不同波长的电磁波效应达到一定的目的。
比如，人们可以利用无线电波传送信息，利用x射线穿透物质的能力进行零件探伤，利用热射线传递热能，等等。
人们根据电磁波不同效应把电磁波分成若干波段。
波长λ＝0.38一0.76μm的电磁波段称为可见光波段λ＝0.76—1000 μm的电磁波段称为红外波段(一般将红外波段范围又分为近红外波段和远红外波段，近红外波段为λ＝0.7—25μm，远红外波段为λ＝25—1000μm)；波长大于1000μm的电磁波段称为无线电波段(根据其波长的不同又可分为雷达、视频和广播三个波段)；波长小于0.4μm的电磁波依次分为紫外线、x射线和Y射线等。
可见光和红外线以及紫外线的一部分被物体吸收后产生热效应，即波长λ＝0.1—1000 μm范围内的电磁技能被物体吸收变为热能，因此，这一波长范围的电磁波称为热射线。
因为在一般常见的工业温度条件下，其辐射波长均在这一范围，所以本课程所感兴趣的将是热射线，下面将专门讨论这一波长范围内电磁波的发射、传播和吸收的规律。
一、热辐射的本质和特点1、发射辐射能是各类物质的固有特性。
当原子内部的电子受温和振动时，产生交替变化的电场和磁场，发出电磁波向空间传播，这就是辐射。
热辐射机理
热辐射机理
热辐射机理指的是物体通过辐射方式传递热量的过程。
它是由物体温度导致的物质内部热运动引起的，产生的电磁波通过辐射传播，从而与周围环境交换能量。
热辐射是一种电磁波辐射，由多种频率的电磁波组成，其中主要是红外线、可见光和紫外线。
根据斯特凡-玻尔兹曼定律，辐射功率与物体的绝对温度的四次方成正比。
这意味着较高温度的物体会辐射出更多的能量。
热辐射机理可以通过黑体辐射来解释。
黑体是一种能够完全吸收和辐射所有入射电磁波的物体，在实际中并不存在，但可以作为理想模型来研究热辐射。
根据普朗克定律，黑体辐射的频谱和温度有关，高温下的黑体辐射谱主要位于短波长的紫外线和可见光区域，低温下的黑体辐射则主要位于长波长的红外线区域。
根据基尔霍夫辐射定律，不仅黑体能够辐射能量，其它物体也可以辐射能量，只是它们的辐射功率与黑体的辐射功率之间存在一定的关系。
通过表面的发射率，我们可以评估物体辐射的能力。
发射率取决于物体的材料、表面特性和温度。
总而言之，热辐射机理是物体通过辐射方式传递热量的过程，根据物体的温度和性质，它能够产生各种频率的电磁波，通过辐射与周围环境交换能量。
热辐射基本定律及物体辐射特性
图7-5 黑体模型
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
7
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2.热辐射能量的表示方法
辐射力E：
单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有 波长的能量总和。 (W/m2)；
光谱辐射力Eλ：
单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长)，物 体的单位表面积向半球空间发射的能量。 (W/m3)；
这样，前面定义的半球总发射率则可以写为：
εT0ε0 E , T ,bE la,cbklab,cT okdb d,y λ T oddy λEacE te bu(m T a)li(tT te)d
半球总发射率是对所有方向和所有波长下的平均
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
19
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Absorptivity deals with what happens to __________________ _____________, while
emissivity deals with __________________ ___
Semi-transparent medium
不积蹞步，无以致千里；不积小流，
25
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首先介绍几个概念： 1. 投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能
2. 选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际 物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变 化，这叫选择性吸收
3. 吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用表
示，即
吸收的能量
投入的能(投 量入辐)射
9
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(2)Stefan-Boltzmann定律(第二个定律)：
辐射制冷涂料的原理
辐射制冷涂料的基本原理辐射制冷涂料是一种利用特殊材料的热辐射特性来实现降温效果的涂料。
它具有辐射高效率、无需外部能源供应、无污染等优点，被广泛应用于建筑、汽车、航空航天等领域。
热辐射基本原理在理解辐射制冷涂料的原理之前，我们先来了解一下热辐射的基本原理。
热辐射是指物体因其温度而发出的电磁波。
根据普朗克定律和斯特藩-玻尔兹曼定律，物体发出的热辐射功率与温度的四次方成正比。
具体地说，一个黑体（能完全吸收和发射所有入射电磁波）发出的单位面积单位时间内的热辐射功率可以通过斯特藩-玻尔兹曼定律表示为：Q=εσT4其中，Q是单位面积单位时间内的热辐射功率，ε是黑体表面的发射率（取值范围为0到1），σ是斯特藩-玻尔兹曼常数，T是黑体的温度。
从公式可知，温度越高，热辐射功率越大。
辐射制冷涂料的原理辐射制冷涂料利用热辐射的原理来实现降温效果。
它通常由两部分组成：基材和纳米颗粒。
基材基材是辐射制冷涂料的主要构成部分，它通常是一种高发射率的材料。
高发射率意味着基材能够更有效地吸收和发射热辐射，从而提高降温效果。
常用的基材包括氧化铝、氧化钛等金属氧化物。
这些金属氧化物具有良好的耐候性和耐高温性能，适合应用于各种环境下。
纳米颗粒纳米颗粒是辐射制冷涂料中的关键组成部分，它们通过调节热辐射特性来实现降温效果。
在纳米颗粒中，由于其微观结构和表面效应的影响，电子和光子的行为会发生改变。
纳米颗粒的尺寸通常在1到100纳米之间，这使得它们能够吸收和发射特定波长的电磁波。
辐射制冷涂料中的纳米颗粒通常具有窄带隙结构，这意味着它们只能吸收和发射特定波长范围内的电磁波。
通过选择合适的纳米颗粒，可以实现对太阳光谱中的短波辐射（高能量）进行选择性吸收，而对地球表面辐射（低能量）进行选择性发射。
工作原理辐射制冷涂料的工作原理可以分为两个步骤：吸收和发射。
首先，涂料中的纳米颗粒吸收太阳光谱中的短波辐射。
由于纳米颗粒具有窄带隙结构，只有特定波长范围内的电磁波能够被吸收。
Other_02_关于选择性辐射体
物体对辐射能选择性吸收这一客观事实， 在日常生活中随处可见。……
花本身没有色彩，光才是色彩的源泉，物 体对光的选择性吸收才是它呈现颜色的主 要原因。
灰体
实际物体的辐射能选择性吸收特性，使研究实际物 体的热辐射问题变得很复杂，……为简化问题，将 实际物体理想化，而引入了“灰体”的概念。
灰体是指单色吸收率与波长无关的物体，即αλ=常 数。……灰体的吸收率只取决于灰体本身的情况， 与外界无关。…….基尔霍夫定律完全适用于灰 体，……就辐射和吸收而言，灰体与黑体完全相似， 只不过灰体在辐射和吸收的数量上小于黑体。
实际物体的光谱辐射力不仅比黑体的光 谱辐射力Ebλ小，而且Eλ往往随波长作不 规则的变化。……实际物体的辐射力与 同温度下黑体辐射力的比值称为实际物 体的发射率，俗称黑度：
实际物体的辐射力并不严格地同热力学 温度的四次方成正比。为了方便，在工 程中仍采用四次方定律计算，而把由此 引起的发射率与温度有关， 可以直接由实验测得：
基尔霍夫定律是在热平衡条件下导出的，只有在温 度平衡时α=ε才成立。在非热平衡体系中，实际物 体的黑度ε与吸收率α不一定相等。 Ε只与辐射体本身的情况（温度及表面状况等）有 关，而α取决于辐射体自身的情况和投射辐射的特 性，它与投射辐射的波长有关，也就是说，物体对 不同波长的辐射能的吸收具有选择性。
灰体服从斯蒂芬-玻尔兹曼定律：
自然界并不存在灰体，灰体也是一种理想物体。 热力学中遇到的热辐射主要位于红外线波长范 围内（绝大部分能量位于0.76~10µm之间）。 围内（绝大部分能量位于 之间）。 在此范围内，大多数工程材料可以地看作灰体。
斯蒂芬-玻尔兹曼公式
基尔霍夫定律
平板I为绝对黑体表面，平板II为任意物体。两板在辐射换热过程中，表 面II辐射的能量E到达黑体表面上I时，全部被吸收；而从黑体表面I辐射 到表面II上的能量只吸收了αEb，其余的（1-α）Eb部分被反射回去，又 重新被黑体吸收。 在这一辐射换热过程中，任一个板表面的能量收支差额，即辐射换热量 均为：q=E-αEb。在系统处于平衡状态时，两表面的温度相等，q=0， therefore：
热辐射基本定律和辐射特性
例7-1：试分别计算温度为2000K和5800K的黑
体的最大光谱辐射力所对应的波长m 。
解：按 m T2.910 3m K计算：
当T=2000K时， m2.9 210 0 3K m 0K 01.4 510 6m
当T=5800K时，
m2.9 518 0 3K m 0K 00.510 6m
可见工业上一般高温辐射（2000K内），黑体最大光 谱辐射力的波长位于红外线区段，而太阳辐射 （5800K）对应的最大光谱辐射的波长则位于可见光 区段。
dω为微元立体角
E
d 2Q
ddA
方向辐射力与辐射力之间的关系： E
E d
2
dQ
df
dQλ
r
dφ
dA
dA
（a）微元表面总辐射 （b）微元表面单色辐射
dA
（c）微元表面方向辐射
立体角是用来衡量空间中的面相对于某一点所 张开的空间角度的大小，如图c所示，其定义为：
d df r 2
df为空间中的微元面积，r为该面积与发射点之 间的距离。
普朗克定律表示的是黑体的辐射能按波长的分
布规律，给出了黑体的单色辐射力与热力学温 度T、波长之间的函数关系，由量子理论得到 的数学表达式为：
Eb
c1
5 ec2 (T )
1
c1为第一辐射常数，c1=3.74210-16W·m2； c2为第二辐射常数，c2=1.4388 10-2m·K
图中给出了在温度为参变量下的单色辐射力随
解：在热平衡条件下，黑体温度与室温相同， 辐射力为：Eb1c01T104 05.67m2W K4217 2 07 04 3K4
45W 9 2 /m
327℃黑体的辐射力为
环境辐射对材料性能的影响和损伤机理
环境辐射对材料性能的影响和损伤机理引言：在现代科技的不断发展和应用中，环境辐射成为了一个重要的研究课题。
环境辐射指的是材料受到外界某种辐射源的照射而产生的各种效应。
环境辐射可以是来自太阳的光辐射、电磁场的辐射、电离辐射、热辐射等。
本文将探讨环境辐射对材料性能的具体影响和损伤机理。
一、辐射对材料性能的影响1. 力学性能环境辐射对材料的力学性能有明显的影响。
例如，当材料长期受到辐射照射时，其机械强度和硬度可能会下降。
辐射引起的缺陷和剥离现象会导致晶体内部结构的紊乱，从而使材料的强度降低。
此外，辐射还会导致材料的断裂韧性下降，使其更容易发生断裂、脆化等现象。
2. 热性能环境辐射对材料的热性能也会产生一定的影响。
辐射照射会导致材料的热传导性能和热膨胀系数发生变化，进而影响材料的热稳定性和导热性能。
辐射引起的能量的传递和吸收也会引起材料内部的温度变化，进而影响材料的热膨胀和热应力分布，使材料产生热损伤。
3. 光学性能环境辐射对材料的光学性能也有一定的影响。
辐射会影响材料的透明性、反射率和折射率等光学性能参数。
一些高能辐射会致使材料表面产生黄变或暗变等光学损伤现象，降低了材料在光学应用中的使用价值。
二、辐射引起的材料损伤机理1. 电离损伤辐射会使材料中的原子或分子电离，形成带电离子和自由电子，这种现象称为电离损伤。
电离损伤会导致材料内部电荷的重新分布，产生电场和电位差，进而影响材料的电学性能。
此外，电离损伤还会引起材料内部的化学反应和能量释放，导致材料的化学性能发生变化。
2. 原子位移损伤高能辐射会在材料中产生弹性散射和非弹性散射过程。
非弹性散射会引起原子的位错、缺陷和形变等损伤。
例如，辐射会在晶体中形成大量的辐射防线和位错环，导致晶体结构的紊乱和退化，降低材料的机械强度和硬度。
3. 损伤积累效应辐射损伤是一个累积过程，长期受到辐射的材料会逐渐积累损伤，进而影响其性能。
辐射引起的缺陷和位错会相互作用，形成复杂的缺陷网络。
发射率低的弹性材料原理
发射率低的弹性材料原理弹性材料的发射率指的是材料表面对热辐射的能量吸收能力与辐射能量之间的比例关系。
在实际应用中，有些材料的表面具有低发射率，这对于一些特定领域的应用非常重要。
本文将从物理原理和材料设计两个方面来探讨低发射率弹性材料的原理。
物理原理：要理解弹性材料的发射率特性，首先需要了解热辐射的基本原理。
热辐射是所有物体在温度高于绝对零度时释放出的电磁波。
根据Planck公式，物体的热辐射能量与其温度和辐射频率之间存在关系。
具体来说，热辐射的能量与其辐射频率的高低成正比。
对于一个具有低发射率的弹性材料而言，其能够在宽范围的频率上反射或透射热辐射能量，而不会吸收或辐射的能量较少。
这是因为材料的发射率与其电磁波的反射和透射特性有关。
材料发射率低的物理基础可以总结为以下两点：1. 表面反射：具有低发射率的材料通常具有较高的反射率。
物体表面的特定结构或涂层能够使得入射的电磁波得到反射，从而减少了能量的吸收和辐射。
例如，一些硅基涂层能够对热辐射进行选择性的反射，从而实现低发射率。
2. 透射特性：除了反射，一些材料也能够通过透射的方式减少辐射能量。
例如，在红外频率范围内，某些材料具有较低的吸收特性，从而使得辐射能量透过材料而不被吸收。
材料设计：在实际应用中，设计和制备低发射率弹性材料需要综合考虑多种因素，包括材料成分、结构和制备工艺等。
以下是一些常见的材料设计方法：1. 红外透明材料：某些材料在红外频率范围内透明度较高，因此它们能够通过减少吸收红外辐射来降低发射率。
例如，氟碳化物、纳米孔隙薄膜以及某些复合材料等，在适当的设计和制备条件下，可以实现较低的发射率。
2. 表面工程：通过改变材料表面的形貌和结构，可以影响入射辐射的反射率和透射率。
例如，一些具有特殊微结构的材料表面，如纳米结构、光栅结构或多层膜结构，能够实现特定频率范围内的低发射率。
3. 材料选择：选择具有低吸收特性的材料是实现低发射率的关键。
对于特定的应用需求，需要选择合适的材料，例如高红外透明度材料、低吸收率材料等。
微纳结构调控热辐射及应用
微纳结构调控热辐射及应用随着科技的不断进步，微纳结构的调控热辐射已经成为了当前材料科学研究的一个热点领域。
微纳结构是指尺寸在微米和纳米级别的材料结构，通过调控微纳结构实现对热辐射的控制，可以为各种领域带来许多应用，包括太阳能电池、热辐射测量、纳米光子学等。
本文将从微纳结构调控热辐射的原理、方法以及应用展开详细的探讨。
一、微纳结构调控热辐射的原理微纳结构调控热辐射的原理是基于微纳结构对热辐射的选择性透射、反射和吸收。
微纳结构可以通过改变其形状、尺寸和周期性，调控光的波长范围和吸收率，从而实现对热辐射的控制。
微纳结构可以通过表面等离子体共振效应、布里渊散射、布洛赫表面等模式来实现对热辐射的调控。
这些调控热辐射的技术原理为微纳结构的应用提供了理论基础。
二、微纳结构调控热辐射的方法1. 表面等离子体共振技术表面等离子体共振技术是利用金属表面激发出的等离子体来实现对热辐射的调控。
通过调控金属表面纳米结构的形状和周期性，可以使金属表面激发出特定波长的等离子体共振，从而实现对热辐射的选择性透射和反射。
2. 布里渊散射技术布里渊散射技术是利用周期性微纳结构表面的布里渊散射效应来实现对热辐射的调控。
通过调控微纳结构的周期性，可以使微纳结构表面对特定波长的光发生布里渊散射，从而实现对热辐射的选择性反射和吸收。
3. 布洛赫表面等模式技术布洛赫表面等模式技术是利用微纳结构表面的布洛赫表面等模式来实现对热辐射的调控。
通过调控微纳结构的形状和周期性，可以激发出布洛赫表面等模式，从而实现对热辐射的选择性透射和反射。
三、微纳结构调控热辐射的应用1. 太阳能电池利用微纳结构调控热辐射的技术可以改善太阳能电池的光吸收率和热辐射透射率，提高太阳能电池的光电转换效率。
2. 热辐射测量利用微纳结构调控热辐射的技术可以实现对热辐射的选择性吸收和反射，提高热辐射测量的精度和灵敏度。
3. 纳米光子学利用微纳结构调控热辐射的技术可以实现对光的波长选择性调控，为纳米光子学的研究和应用提供了新的途径。
微纳结构调控热辐射及应用
微纳结构调控热辐射及应用随着科技的发展，微纳技术在材料科学、能源领域等领域得到了广泛的应用。
微纳结构在热辐射调控方面具有独特的优势，可以通过设计微小结构单元来调控材料的热辐射特性，从而实现热管理、能源转换和红外成像等应用。
本文将重点讨论微纳结构调控热辐射的基本原理和现有研究进展，并探讨其在能源领域和红外技术方面的应用前景。
一、微纳结构调控热辐射的基本原理微纳结构调控热辐射的基本原理是基于纳米尺度结构对光学特性的影响。
当物体尺寸远小于入射光波长时，微纳结构表面会发生局域表面等离激元共振现象，导致材料的光学性质发生变化。
这种局域表面等离激元效应可以显著影响材料的热辐射特性，实现对热辐射的调控和调整。
二、微纳结构调控热辐射的研究现状目前，国内外学者在微纳结构调控热辐射方面取得了许多重要进展。
他们设计了一系列的微纳结构，包括纳米柱、纳米孔阵列、纳米排列等，以实现对热辐射的高效调控。
通过精密的结构设计和纳米加工技术，他们成功地调控了材料的热辐射率、波长选择性和方向性，实现了对热辐射的精确调控。
三、微纳结构调控热辐射在能源领域的应用微纳结构调控热辐射在能源领域具有广阔的应用前景。
通过设计合适的微纳结构，可以实现太阳能光热转换材料的高效吸收和辐射控制，提高太阳能光热转换效率。
微纳结构还可以被应用于热电材料、光伏材料和热辐射传感器等领域，为能源转换和储存提供新的思路和解决方案。
四、微纳结构调控热辐射在红外技术的应用微纳结构调控热辐射还可以应用于红外成像和传感技术领域。
通过设计具有特定红外辐射特性的微纳结构，可以实现对红外辐射的高效调控和捕捉，并可以扩展红外相机和传感器的应用范围，有望在安防监控、医疗诊断和无人机导航等领域发挥重要作用。
五、展望微纳结构调控热辐射作为一种新型的热管理和光学调控技术，具有重要的科学研究和实际应用价值。
未来，我们可以进一步深入研究微纳结构的制备工艺和光学特性，探索更多高效的微纳结构和材料组合，拓展微纳结构调控热辐射的应用领域，推动其在能源和光学技术等领域的应用。
热辐射吸收材料
热辐射吸收材料热辐射吸收材料是一种能够吸收并转化热辐射能的材料。
热辐射是一种通过电磁波的形式传播的能量，它的频率范围通常包括红外线和可见光。
热辐射吸收材料的设计和应用对于提高能源利用效率、发展环保能源以及改善节能减排具有重要意义。
热辐射吸收材料通常是在太阳能集热器、太阳能电池等吸收热能的装置中使用。
其主要功能是将热辐射能有效地吸收并转换成其他形式的能量。
因为热辐射普遍存在于我们的生活中，因此研发高效的热辐射吸收材料对于实现可持续发展至关重要。
热辐射吸收材料的设计需要考虑多个因素，包括光谱选择性、表面结构和材料特性等。
光谱选择性是指材料对不同频率范围内的辐射能的选择性吸收能力。
通常情况下，大多数热辐射吸收材料在可见光范围内具有较高的吸收能力，但在红外线范围内的吸收能力较弱。
因此，科研人员需要通过调整材料的化学组成和结构，以实现对于红外线的高效吸收。
表面结构也是热辐射吸收材料设计的重要因素之一。
表面结构的设计能够增加材料与热辐射的接触面积，从而提高吸收效率。
常见的表面结构包括纳米颗粒、纳米线和纳米孔等。
这些结构能够将热辐射能够更有效地吸收和储存，并且可以实现对不同波长范围内热辐射的选择性吸收。
材料的特性也对热辐射吸收材料的性能起着关键作用。
例如，热导率、电导率和光学特性等能够影响材料对热辐射的吸收和转化效率。
热导率越低，材料就越能够有效地吸收和储存热辐射能。
另外，一些特殊的光学特性如多孔材料的折射率、透射率等也可以通过改变材料的组分和结构来实现对热辐射的选择性吸收。
除了在太阳能利用领域的应用，热辐射吸收材料在其他领域也具有广泛的应用前景。
例如，在建筑领域，热辐射吸收材料可以用于改善建筑物的能耗效率。
通过使用能够吸收和储存热辐射能的材料进行建筑物外墙的装饰，可以有效地降低建筑物的能耗，并提高室内舒适度。
在汽车制造行业，热辐射吸收材料的应用也非常重要。
由于汽车在行驶过程中会产生大量的热辐射能，因此使用热辐射吸收材料来吸收和转化这些能量，可以有效地减少汽车的能耗，并降低尾气排放。
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这些力的作用下 , 一个谐振子的运动方程可以
表示为 :
m
d2 x dt2
+
mγ
dx dt
+
mω20 x = e 3
E0exp ( -
iωt)
(1)
解此方程式 , 可以得到谐振子在热辐射波
作用下的位移 x (ω) 为 :
x (ω)
=ω20
e3/
- ω2
m -
iγωE0exp
(
iωt )
(2)
设单位体积中的有效揩振子为 N , 由电极
它形成的电偶极矩与热辐射波的电磁场之间的
耦合 ,在这种耦合中 ,电偶极矩有可能从热辐射
波中吸收能量 。只有满足这两个条件 ,热辐射
波与介质之间的相互作用才能达到最强 ,介质
对热辐射波的吸收程度达到最大 。
212 热辐射波与介质的相互作用模型 根据洛伦兹 (Lorentz) 色散理论〔3、4〕,从经
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冶 金 能 源 22 卷 6 期 2003111
特性 。但热辐射波与材料内部的微观粒子发生
相互作用是有条件的〔2〕,条件之一是两者必须
22 卷 6 期 2003111 冶 金 能 源
15
材料的选择性热辐射机理
吴永红 夏德宏
(北京科技大学热能工程系)
摘 要 从材料的微观结构出发 ,解析了热辐射波和材料内部微观粒子 (电子 、离子等) 产生的电 磁谐振波之间的相互作用过程 ,从而揭示了热辐射波在材料内部发射 、吸收 、透射和反射对波长 (或频率) 的选择性机理 。基于洛伦兹色散理论 ,分析了材料发射率的色散关系和影响材料热辐射 选择性的主要因素 。 关键词 热辐射 选择性 谐振波 色散
基于上述洛伦兹阻尼简谐振动近似 ,以基 频 ω0 = 10 ×1014 Hz ,厚度为 1cm 的材料为例 , 当等离子体频率 ωP = 100 ×1014 Hz ,阻力系数 λ取 011 ×1014 Hz ,根据文献〔6〕中相关发射率 的公式 ,对材料的发射率进行数值计算 ,可得材 料发射率 (吸收率) 的色散关系 (随频率的关系) 如图 1 所示 。
位移 。谐振子体系受到的作用力有 :与位移 x 成正比的弹性恢复力 - mω20 x , 与速度成正比 的阻尼力 - mγx , 以及电场 驱 动 力 e 3 E0exp ( - iωt) ,其中 ω0 、ω分别表示谐振子的固有振 荡频率和入射热辐射波的频率 ;γ具有频率的
量纲 ,表示谐振子碰撞的频率 ,一般作为与频率 无关的常数处理 ; e 3 是谐振子的有效电荷 。在
1 前言 材料的热辐射性能主要指材料对热辐射波
的发射 、吸收 、透射以及反射性能 。实际材料的 热辐射特性都具有选择性 ,例如白雪 、白漆 、透 明的水和玻璃等都能够强烈地吸收红外线 ,而 氯化钠晶体 、硫化砷玻璃等等则能够在相当宽 的频率范围内透过红外线 。具有选择性热辐射 特性物体的单色反射率 、单色吸收率和单色透 射率等均会随频率发生变化 ,而且彼此都不相 等〔1〕。材料的选择性热辐射是普遍存在的 ,人 们所看到的五光十色的世界都是物体对可见光 的选择性反射 、透射或散射的结果 ,温室效应就 是因为普通玻璃具有透射可见光而反射红外线 的特性所产生的 。为了实现如何利用 、改善以
振效应 , 当入射热辐射波的频率与体系的固有
频率相等时 , 热辐射波与体系的能量交换作用
最大 ,体系对热辐射波的吸收最强 。对于只有
一种固有频率的谐振子 ,吸收峰只有一个 ,但实
际上可能有不同频率振荡的谐振子 , 因此吸收
峰可能有多个 。
ωP 是材料的一种特征频率 ,通常被称为等
离子体频率 。一般地说 , 所有物体都可能存在
从图 1 中的色散曲线可以看出 ,在阻尼谐 振子近似的条件下材料的选择性热辐射可以分 为以下五个区域 : (1) ω ν ω0 , 低频透明区 。在 这一区域内 ,表征吸收的物理量 , k (ω) 、σr (ω) 和εi (ω) 都随频率减小而趋于 0 ,折射率从静态 的 n (0) 随频率的增加而增大 ,呈正常色散 ,材 料是透明的 。(2) ω≈ω0 ,共振强吸收区 。在这 一区域内 , 代表吸收的参量 σr (ω) 和 εi (ω) 达 到极大值 ,折射率由正常色散转变为反常色散 , 即随频率的增加而减少 。( 3) ω0 < ω < ωP , 金 属反射区 。在这一区域内 ,εr (ω) < 0 , 意味着
和虚部 , n 、k 分别表示材料的折射率和消光系
数。
由式 (4) ～ ( 7) 可以看出 , 影响材料光学常 数的主要因素有特征频率 ωP 、谐振子的固有振 动频率 (基频) ω0 和阻力系数 γ。与吸收有关 的量 εi (ω) 在 ω = ω0 处出现极大 , 远离 ω0 时 递减 ,在高频和低下都趋于 0 。这表示一种共
等离子体振荡 , 只是等离子体频率不同而已 。
当入射热辐射波的频率大于等离子体频率时 ,
该物质就会显出透明性 。
虽然洛伦兹色散理论适用于绝缘体和半导
体 ,但可以推广应用于导体和等离子体〔5〕。对
பைடு நூலகம்
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有相同的频率和波矢 。另外 ,由于热辐射波是
横电磁波 ,所以微观粒子振动所产生的波也必
须是横向波 ,它们之间才能彼此耦合 。但是仅
仅满足这一条件 ,介质还不一定能与热辐射波
发生相互作用 ,只有能产生电偶极矩的介质才
能与热辐射波发生相互作用 ,这是热辐射波与
材料内部的微观粒子发生相互作用的条件之
二 。因为微观粒子与热辐射波的相互作用就是
化强度 P 的定义可知 P = Ne 3 x =ε0 x E , 所以 复极化率 x 为 :
x (ω)
=
Ne 3 2/ mε0 (ω20 - ω2 + iγω) (ω20 - ω2) 2 + γ2ω2
(3)
令 ω2P = Ne 3 2/ mε0 , 由此可得介电系数 、
折射率的色散关系为 :
εr (ω)
THE SEL ECTIVE HEAT RAD IATIVE MECHANISM OF MATERIALS
Wu Yonghong Xia Dehong (Dept1of Thermal Engineering ,Bijing Univ1of Sic1 & Tech1)
Abstract From t he microstructure of materials ,t he interaction between incident heat radiative wave and t he eclectromagnetism syntonic wave resulted from t he microscopic particles (electrons and ion ,etc1) in materials is analyzed to reveal t he wave lengt h (frequency) selective emission ,absorption ,transmission and reflection mechanism to t he incident heat radiative wave. Based on t he lorentz dispersion t heory ,t he e2 missivity dispersion of t he material and t he main effect on t he heat radiative are also analyzed in t his pa2 per. Keywords heat radiation selectivity syntonic wave dispersion
系数 。消光系数是表征热辐射波在材料内部衰
减快慢的一个物理量 , 体现了材料对热辐射波
的吸收能力 。对于消光系数很大的材料 , 热辐
射波在其内部迅速地衰减 , 材料对热辐射波的
吸收很强 ,此时热辐射波的穿透深度较小 ;反之
对于消光系数小的材料 , 材料对热辐射波的吸
收速度很慢 , 热辐射波的穿透深度较大 。虽然
ρλn (λ)
=
( n - 1) 2 + ( n + 1) 2 +
k2 k2
(8)
从 (8) 式可以看出 ,当折射率 n = 1 ,消光系
数 k = 0 时 ,材料的反射率为 0 ;而当 n = 0 或 n
→∞、k →∞时 , 反射率达到最大值 1 。所以要
降低材料的反射率以提高发射率就应该尽量减
小材料对热辐射波的折射以及降低材料的消光
以在分析发射率的色散关系时忽略了光学非线
性的影响 。
3 材料的选择性热辐射分析
311 光学常数对材料热辐射特性的影响
实际物体的热辐射特性即反射率 、吸收率
和发射率等主要取决于热辐射物体本身的光学
特性 ———折射率 n 和消光系数 k , 从物体的表
面辐射特性进行电磁理论分析 , 一般介质相对 理想电介质的镜反射法向单色反射率为〔1〕:
消光系数很大的材料对热辐射波具有很强的吸
收能力 , 但这只是针对能够穿透材料表面而射
入材料内部的热辐射波而言的 , 而不是指全部
投射到材料表面的热辐射波 , 从式 ( 8) 可以看
出 ,消光系数很大的材料具有很大的反射率 ,大
部分的热辐射波被材料表面所反射 , 而只有一
小部分热辐射波能够穿透材料表面而进入物体