弹性固体红外辐射特征的热力学影响因素分析
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第 ４ Ｏ卷 第 ５期 ２１ ０ １年 ９月
内蒙 古 师 范 大 学 学报 （ 自然科 学 汉 文 版 ）
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＩ ｎ ｒ Ｍ ｏ ｇ ｌ ｒ ａ ｉ ｅ ｓｔ （ ｔ ｒ ｌＳ ｉ ｎ ｅ Ｅｄ ｔ ｎ ｏ ｒ ａ ｎ ｅ ｎ ｏ ｉ Ｎｏ ｍ ｌ ｏ ａ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｙ Ｎａ ｕ ａ ｃｅ ｃ ｉ ｏ ） ｉ
王 芳 等 ：弹性 固 体 红 外 辐 射 特 征 的热 力 学 影 响 因 素 分 析
验条 件 和试件 的材 料可 以将 试 件 内部 的热扩 散忽 略． 试件 与外 界 的热扩 散 和热交 换 ， 主要 以 热辐射 和 热传 导 的形 式进 行 ， 吸收 热量 或 放 出热量 ． 响物 体 或 影 红外 热辐 射 的因 素有很 多 ， 中提取 出仅 由于载荷 所 引起 的红 外辐 射几 乎是 不可 能 的 ， 如果 不能求 出该 红 从 而
辐 射特征 的产 生原理 ， 固体 材料 载荷初 期 的热 力学影 响 因素进 行 了理论 分 析 ， 将分 析计算 结果 与 已有 实 对 并
验 Ｌ 中的典型 红外 热辐 射特征 和相 关 的测试 结果 进行对 比 ， ４ 以揭 示载 荷 作用 下 固体 材料 红 外 辐射 特 征 的 影
作者 简介 ；王
芳（９９ ）女 ， 宁省盖县人， 国石 油大学 （ 京 ） 教授 ， 士 ， 要 从事 红外测 试手段 在 固体力学 中的应 用研究 ， １６一 ， 辽 中 北 副 博 主
Ｅ ｍａｌｗａ ｇ ａ ｇ ４ ２ ｑ ． ｏ ． — ｉ ： ｎ ｆｎ ６ Biblioteka Baidu ＠ ｑ ｃ ｒ ｎ
第 ５期
辐 射特征 的研 究 ， 实际 上是对 物体 表面 红外 辐射 温度 的探 测 ， 以及对 物体 热力 学过 程 的探讨 和研 究． 红外 热像 显示 的物 体 的红外 辐射温 度是 一个 综合 效应 ， 既包 括在 受 力过 程 中物 体 自身状 态 变化 引 起 的 红 外辐射 ， 包括周 围环境 的辐射 和反 射等 多种 因素 的影 响 ， 也 因此 ， 响物 体红 外 辐 射 的状 态 参 量 主要 有 内 影
Ｖｏ ． ０ Ｎｏ ５ １４ ．
Ｓｅ ｔ ２ ｐ ． ０１１
弹 性 固体 红 外 辐 射 特 征 的热 力 学 影 响 因素 分 析
王 芳 ，陈 勉
（． 国石 油 大 学 （ 京 ）理 学院 ， 京 １ ２ ４ ； ． 国石 油 大 学 （ 京 ）石 油 工 程 学 院 ， 京 １２ ４ ） １中 北 北 ０２９ ２ 中 北 北 ０ ２ ９ 摘 要 ： 实 验 结 果 为 基 础 ， 红 外 热 像原 理 出 发 ， 讨 了 固体 材 料 弹性 阶段 的 红 外 辐 射 特 征 及 其 热 力 学 影 以 从 探
响 因素 和机理 ．
１ 载荷 中弹 性 固体 红 外辐 射 特 征 的热 力 学 影 响 因素 分 析
物体 温度 只要 在绝 对零 度 以上 就会 有红 外辐 射发 生 ， 根据 红外 热成像 测试 的基 本 原理 ［ ， ５ 物体 本身 发 出 ］ 的辐射是 其 自身 温度 的 函数 ． 于灰体 材料 ， 对 满足 斯 蒂芬 一玻尔 兹曼 公式
红外 测试 具有 非接 触 、 时 、 速 的特点 ， 而广泛 应 用 于 固体 应 力 状 态变 化 监 测 中。 实 快 因 目前 ， 于 固体材 对
料 载荷形 变下 的红外 辐 射特征 ， 多文献 都进 行 了有益 的探 讨 ， 许 获得 了一些 有 价值 的实 验结果 ［ 但 对 于 产 １ 伽， 生 红外辐 射 的影响 因素 及来 源却很 少涉 及． 本文 在实 验 的基 础上 ， 固 体材 料 的 热力 学 理论 出发 ， 于 红外 从 基
热 力 学 影 响 因素 和来 源．
关 键 词 ： 性 固 体 ； 外 辐 射 特 征 ；热 力 学 ； 扩 散 ；内能 弹 红 热
中 图分 类 号 ：０ ４ １ ８ 文献 标 志码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０ － ７ ５ ２ １ ） ５ ０ ８－ ５ ０ １ ８ ３ （０ ｉ０ － ４ ４ ０
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其 中 ｑ为 热通 量 ， 为 Ｙ方 向的温度 梯 度 ， 为 比热 ， 为 密度 ． ｃ Ｐ 因此 ， ｏ ｒｅ 导 热定 律可 以表述 为 ： Ｆ ｕｉ ｒ 物体 的
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导 热通 量与 单位 体积 物体 的热 量梯度 成正 比． 由此 可见 ， 温 度变 化不 大 （ 温 条件 ）的情 况下 ， 在 室 由于 热传 导
一ｅ ＢＴ 。 （） １
其 中 ： 是辐 射功 率 ；ｅ ． ４ 是材 料 的 自发 率 ； —Ｏ ９ ， Ｂ是斯 蒂芬 一 玻 尔兹 常数 ． １ 式 可知 ， 由（ ） 当一 个物 体表 面
的 发射率 不 变时 ， 物 体的辐 射功 率与其 温度 的 ４次方 成 正 比 ， 该 因此 ， 物 体辐 射 功 率 的探 测 和对 物 体 红外 对
响 因 素 ． 弹 性 固 体 材 料 红 外 辐 射 场 进 行 的模 拟 计 算 和 对 比 分 析 表 明 ， 验 结 果 与 理 论 计 算 一 致 ， 明 红 外 辐 射 对 实 说 升 温 区 和 降 温 区对 应 于 固体 应 变场 的压 应 力 区 和 拉应 力 区 ， 而 初 步 揭 示 了 固体 材 料 载 荷 初 期 红 外 辐 射 特 征 的 从
能 的改 变和 热扩 散的 影响．
１ １ 热 扩散对 红外 辐射 温度 的影 响 ．
实验中， 试件 内部 的热 扩散 主要是 热传 导 ， 于热 传 导 的 Ｆ ｕ ｉ 定 律 关 ｏｒ ｒ ｅ ］指 出 ， 度 变化 的速率 与 材 料 温 的 热传 导系数 有关 ， 与温 度场 的关 系为 且
而 引起 的温 度变 化并 不大 ， 尤其 对于热 传 导系数 较 小的物 体 ， 这种 变化 就更 小 了． 因此 ， 实验 中通 过改 变试 在
收 稿 日期 ； ０ １０－ ５ ２ １—５１ 基 金项 目：国家 基 础 研 究 重 点 资 助 项 目（０ ２ Ｂ １７ １ ２Ｏ Ｃ ４ ２ ０ ）
内蒙 古 师 范 大 学 学报 （ 自然科 学 汉 文 版 ）
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＩ ｎ ｒ Ｍ ｏ ｇ ｌ ｒ ａ ｉ ｅ ｓｔ （ ｔ ｒ ｌＳ ｉ ｎ ｅ Ｅｄ ｔ ｎ ｏ ｒ ａ ｎ ｅ ｎ ｏ ｉ Ｎｏ ｍ ｌ ｏ ａ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｙ Ｎａ ｕ ａ ｃｅ ｃ ｉ ｏ ） ｉ
王 芳 等 ：弹性 固 体 红 外 辐 射 特 征 的热 力 学 影 响 因 素 分 析
验条 件 和试件 的材 料可 以将 试 件 内部 的热扩 散忽 略． 试件 与外 界 的热扩 散 和热交 换 ， 主要 以 热辐射 和 热传 导 的形 式进 行 ， 吸收 热量 或 放 出热量 ． 响物 体 或 影 红外 热辐 射 的因 素有很 多 ， 中提取 出仅 由于载荷 所 引起 的红 外辐 射几 乎是 不可 能 的 ， 如果 不能求 出该 红 从 而
辐 射特征 的产 生原理 ， 固体 材料 载荷初 期 的热 力学影 响 因素进 行 了理论 分 析 ， 将分 析计算 结果 与 已有 实 对 并
验 Ｌ 中的典型 红外 热辐 射特征 和相 关 的测试 结果 进行对 比 ， ４ 以揭 示载 荷 作用 下 固体 材料 红 外 辐射 特 征 的 影
作者 简介 ；王
芳（９９ ）女 ， 宁省盖县人， 国石 油大学 （ 京 ） 教授 ， 士 ， 要 从事 红外测 试手段 在 固体力学 中的应 用研究 ， １６一 ， 辽 中 北 副 博 主
Ｅ ｍａｌｗａ ｇ ａ ｇ ４ ２ ｑ ． ｏ ． — ｉ ： ｎ ｆｎ ６ Biblioteka Baidu ＠ ｑ ｃ ｒ ｎ
第 ５期
辐 射特征 的研 究 ， 实际 上是对 物体 表面 红外 辐射 温度 的探 测 ， 以及对 物体 热力 学过 程 的探讨 和研 究． 红外 热像 显示 的物 体 的红外 辐射温 度是 一个 综合 效应 ， 既包 括在 受 力过 程 中物 体 自身状 态 变化 引 起 的 红 外辐射 ， 包括周 围环境 的辐射 和反 射等 多种 因素 的影 响 ， 也 因此 ， 响物 体红 外 辐 射 的状 态 参 量 主要 有 内 影
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弹 性 固体 红 外 辐 射 特 征 的热 力 学 影 响 因素 分 析
王 芳 ，陈 勉
（． 国石 油 大 学 （ 京 ）理 学院 ， 京 １ ２ ４ ； ． 国石 油 大 学 （ 京 ）石 油 工 程 学 院 ， 京 １２ ４ ） １中 北 北 ０２９ ２ 中 北 北 ０ ２ ９ 摘 要 ： 实 验 结 果 为 基 础 ， 红 外 热 像原 理 出 发 ， 讨 了 固体 材 料 弹性 阶段 的 红 外 辐 射 特 征 及 其 热 力 学 影 以 从 探
响 因素 和机理 ．
１ 载荷 中弹 性 固体 红 外辐 射 特 征 的热 力 学 影 响 因素 分 析
物体 温度 只要 在绝 对零 度 以上 就会 有红 外辐 射发 生 ， 根据 红外 热成像 测试 的基 本 原理 ［ ， ５ 物体 本身 发 出 ］ 的辐射是 其 自身 温度 的 函数 ． 于灰体 材料 ， 对 满足 斯 蒂芬 一玻尔 兹曼 公式
红外 测试 具有 非接 触 、 时 、 速 的特点 ， 而广泛 应 用 于 固体 应 力 状 态变 化 监 测 中。 实 快 因 目前 ， 于 固体材 对
料 载荷形 变下 的红外 辐 射特征 ， 多文献 都进 行 了有益 的探 讨 ， 许 获得 了一些 有 价值 的实 验结果 ［ 但 对 于 产 １ 伽， 生 红外辐 射 的影响 因素 及来 源却很 少涉 及． 本文 在实 验 的基 础上 ， 固 体材 料 的 热力 学 理论 出发 ， 于 红外 从 基
热 力 学 影 响 因素 和来 源．
关 键 词 ： 性 固 体 ； 外 辐 射 特 征 ；热 力 学 ； 扩 散 ；内能 弹 红 热
中 图分 类 号 ：０ ４ １ ８ 文献 标 志码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０ － ７ ５ ２ １ ） ５ ０ ８－ ５ ０ １ ８ ３ （０ ｉ０ － ４ ４ ０
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（） ２
其 中 ｑ为 热通 量 ， 为 Ｙ方 向的温度 梯 度 ， 为 比热 ， 为 密度 ． ｃ Ｐ 因此 ， ｏ ｒｅ 导 热定 律可 以表述 为 ： Ｆ ｕｉ ｒ 物体 的
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导 热通 量与 单位 体积 物体 的热 量梯度 成正 比． 由此 可见 ， 温 度变 化不 大 （ 温 条件 ）的情 况下 ， 在 室 由于 热传 导
一ｅ ＢＴ 。 （） １
其 中 ： 是辐 射功 率 ；ｅ ． ４ 是材 料 的 自发 率 ； —Ｏ ９ ， Ｂ是斯 蒂芬 一 玻 尔兹 常数 ． １ 式 可知 ， 由（ ） 当一 个物 体表 面
的 发射率 不 变时 ， 物 体的辐 射功 率与其 温度 的 ４次方 成 正 比 ， 该 因此 ， 物 体辐 射 功 率 的探 测 和对 物 体 红外 对
响 因 素 ． 弹 性 固 体 材 料 红 外 辐 射 场 进 行 的模 拟 计 算 和 对 比 分 析 表 明 ， 验 结 果 与 理 论 计 算 一 致 ， 明 红 外 辐 射 对 实 说 升 温 区 和 降 温 区对 应 于 固体 应 变场 的压 应 力 区 和 拉应 力 区 ， 而 初 步 揭 示 了 固体 材 料 载 荷 初 期 红 外 辐 射 特 征 的 从
能 的改 变和 热扩 散的 影响．
１ １ 热 扩散对 红外 辐射 温度 的影 响 ．
实验中， 试件 内部 的热 扩散 主要是 热传 导 ， 于热 传 导 的 Ｆ ｕ ｉ 定 律 关 ｏｒ ｒ ｅ ］指 出 ， 度 变化 的速率 与 材 料 温 的 热传 导系数 有关 ， 与温 度场 的关 系为 且
而 引起 的温 度变 化并 不大 ， 尤其 对于热 传 导系数 较 小的物 体 ， 这种 变化 就更 小 了． 因此 ， 实验 中通 过改 变试 在
收 稿 日期 ； ０ １０－ ５ ２ １—５１ 基 金项 目：国家 基 础 研 究 重 点 资 助 项 目（０ ２ Ｂ １７ １ ２Ｏ Ｃ ４ ２ ０ ）