純鎢紅外光譜發(fā)射率特性研究

于 坤，石瑞濤，張會燕，王文寶，劉玉芳

1. 河南師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007 2. 興義民族師范學(xué)院物理與工程技術(shù)學(xué)院，貴州 興義 562400

引 言

鎢是一種重要的稀有金屬，由于其高熔點、高密度、高強(qiáng)度等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于國防、航空航天、汽車、電子等諸多工業(yè)領(lǐng)域，是不可再生的重要戰(zhàn)略資源。中國鎢儲量居世界首位，同時也是最大的消費(fèi)國。如何合理有效的利用鎢資源，發(fā)揮其在國際上的重大經(jīng)濟(jì)影響力，成為中國鎢工業(yè)亟需解決的問題。

在純鎢的冶煉和實際應(yīng)用過程中，溫度的實時控制與精確測量直接決定了純鎢的品質(zhì)和工作壽命。目前工業(yè)上常用的測溫方式主要有兩種： 接觸式測溫和非接觸式測溫。接觸式測溫常用熱電偶進(jìn)行測溫，測溫穩(wěn)定且精度相對較高，但是必須要與被測物體接觸，且測溫范圍有限，對于鎢、鉬等熔點較高的材料熱電偶無法用于長期測量。非接觸式測溫目前以輻射測溫為主，該方法主要通過測量待測目標(biāo)發(fā)出的紅外輻射實現(xiàn)溫度測量，具有不破壞溫度場，響應(yīng)速度快，測溫范圍寬等優(yōu)點[1-2]，是目前工業(yè)上廣泛使用的一種測溫方法。輻射測溫能夠?qū)崟r測量物體表面的亮溫，但是要得到物體表面的真實溫度必須首先知道其精確的光譜發(fā)射率數(shù)值[3-5]。光譜發(fā)射率是表征物體表面紅外輻射特性的一個重要參數(shù)，與材料的氧化、組份、溫度以及表面形貌等因素有關(guān)[6-9]。光譜發(fā)射率是影響輻射測溫精度的一個重要因素，因此研究材料的紅外光譜發(fā)射率具有非常重要的實際意義。

近年來，有關(guān)純鎢發(fā)射率已有一些研究報道。Brodu等研究了在溫度1 000～2 500 K，材料表面粗糙度和化學(xué)組成對純鎢的全發(fā)射率的影響[10]； Cagran等研究了在684.5, 902和1 570 μm三個不同波長下純鎢的光譜發(fā)射率，并得出純鎢的X點在波長1.41 μm處； Li等研究了從室溫到熔融狀態(tài)下，純鎢在633 nm處光譜發(fā)射率的變化情況。上述研究為純鎢的高溫輻射測量提供了一些光譜發(fā)射率數(shù)據(jù)，但是受測量儀器限制，已有研究的波長范圍較窄，難以得到鎢在寬波段范圍內(nèi)光譜發(fā)射率隨波長的變化關(guān)系，此外上述研究未涉及到純鎢氧化后的光譜發(fā)射率變化情況。鑒于此，利用自主搭建的光譜發(fā)射率測量裝置，在氧化和未氧化兩種情況下，對純鎢的法向光譜發(fā)射率進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并詳細(xì)分析了氧化、溫度、波長(3～20 μm)、加熱時間對純鎢光譜發(fā)射率的影響。

1 實驗部分

1.1 裝置

實驗室自主搭建的光譜發(fā)射率測量裝置原理如圖1所示，具體工作原理詳見參考文獻(xiàn)[11]，該裝置主要由4個部分組成： 樣品爐，標(biāo)準(zhǔn)參考黑體，光學(xué)系統(tǒng)，傅里葉紅外光譜儀(Bruker 70V)。樣品爐利用電阻絲加熱，用K型熱電偶測量樣品表面溫度，測量溫度范圍為323～1 073 K，控溫精度為0.1 K。標(biāo)準(zhǔn)黑體(ISDC IR-563)經(jīng)過美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院校準(zhǔn)(校準(zhǔn)編號： 282410)，確保有效發(fā)射率大于0.99，控溫精度為0.2 K。光學(xué)系統(tǒng)由兩個鍍金平面鏡(M2和M4)和兩個90°焦距的鍍金離軸拋物面鏡(M1和M3)組成。鍍金平面鏡M2安裝在一個電動位移平臺上，可以在位置1和位置2之間交替移動。當(dāng)鍍金平面鏡M2在位置1時，傅里葉紅外光譜儀直接接收來自黑體的輻射信號，當(dāng)鍍金平面鏡M2在位置2時，黑體的輻射信號被其阻擋，這時光譜儀接收來自樣品的輻射信號。測量裝置的整體不確定度優(yōu)于5%。

圖1 光譜發(fā)射率測量裝置原理圖

1.2 方法

待測樣品為4個直徑13 mm，厚度1 mm的圓形鎢片。所有樣品均在磨拋機(jī)上進(jìn)行拋光，并用粗糙度儀測量了樣品表面的粗糙度，以確保4個樣品表面形貌和粗糙度基本一致。測量過程如下：

(1)待測樣品經(jīng)過仔細(xì)的清洗后，將第1個樣品放入樣品爐中，首先通入氬氣10 min，待爐內(nèi)空氣排空后將樣品加熱至573 K，保持樣品溫度和黑體溫度分別穩(wěn)定30 min后，分別測量樣品表面和黑體的光譜輻射能，根據(jù)公式計算出光譜發(fā)射率值[11]，此時測量的值為未氧化時的光譜發(fā)射率。

(2)關(guān)閉氣閥，停止充氬氣，使樣品暴露在空氣中，并開始計時，分別測量樣品在573 K，加熱10，20，30，40，50和60 min時的樣品輻射，并計算出光譜發(fā)射率。

(3)冷卻樣品至室溫，更換第2個樣品加熱至673 K，重復(fù)前述測量過程，測量出673 K未氧化和氧化時的光譜發(fā)射率值以及在不同氧化時間下的光譜發(fā)射率。

(4)按照上述實驗步驟，將第3和第4個樣品分別加熱至773和873 K，重復(fù)上述測量過程，測得氧化前后4個樣品在不同溫度和加熱時間下的光譜發(fā)射率。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化的影響

圖2所示為純鎢在4個溫度點未氧化和氧化60 min后的光譜發(fā)射率隨波長的變化關(guān)系。從圖2(a)中可以看出，純鎢在未氧化情況下光譜發(fā)射率較低，最大值約為0.24，隨著溫度的增加光譜發(fā)射率只出現(xiàn)了微小的增長，在873 K，純鎢的光譜發(fā)射率在整個測量波段都大于其他3個溫度點的發(fā)射率。從圖2(b)中可以看出，鎢氧化60 min后，在573和673 K，鎢的光譜發(fā)射率基本未發(fā)生變化，其值與未氧化時的發(fā)射率值基本一致，而在773和873 K，鎢的光譜發(fā)射率出現(xiàn)了明顯的增大，發(fā)射率最大值達(dá)到了0.8。鎢是一種高熔點金屬，在573和673 K時，因為溫度相對較低，其表面基本未發(fā)生氧化，因此光譜發(fā)射率較為穩(wěn)定。當(dāng)溫度升高至773 K時，樣品表面開始氧化，并形成了一定厚度的氧化膜，這時純鎢表面氧化膜的輻射吸收機(jī)制類似為絕緣體，導(dǎo)致其光譜發(fā)射率出現(xiàn)了較大的增長，并且隨著溫度的升高而增大。由此可見，當(dāng)溫度大于773 K時，純鎢的表面光譜發(fā)射率受氧化因素的影響較大。

2.2 溫度的影響

圖3所示為純鎢在相同加熱時間下光譜發(fā)射率隨溫度的變化關(guān)系。從圖中可以看出純鎢的光譜發(fā)射率隨著溫度的升高而增大。在573和673 K，鎢的光譜發(fā)射率相差較小，在很多位置出現(xiàn)了重合，上面的分析表明，在573和673 K時純鎢表面基本未發(fā)生氧化，因此光譜發(fā)射率非常穩(wěn)定。當(dāng)溫度升高到773 K時，鎢的光譜發(fā)射率開始增加，在波長3～9 μm增幅較大，而在波長9～20 μm增幅較小，當(dāng)溫度達(dá)到873 K時，純鎢光譜發(fā)射率在整個波長范圍內(nèi)都急劇增加，并出現(xiàn)了明顯的振蕩現(xiàn)象。由此可見，溫度對鎢的光譜發(fā)射率有著很大的影響。在773 K，純鎢表面開始發(fā)生氧化，隨著溫度和氧化時間的不斷增加，樣品表面的氧化膜厚度也在增加，從圖中可以看出，氧化鎢的光譜發(fā)射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于純鎢的光譜發(fā)射率。在873 K，鎢的光譜發(fā)射率出現(xiàn)了強(qiáng)烈振蕩，這可能是由于鎢基底表面發(fā)射的紅外光譜和氧化膜表面發(fā)射的紅外光譜在一定條件下發(fā)生了干涉效應(yīng)。

圖2 氧化對純鎢光譜發(fā)射率的影響

圖3 溫度對純鎢光譜發(fā)射率的影響

2.3 波長的影響

圖4為純鎢的光譜發(fā)射率在不同溫度下隨波長的變化關(guān)系。從圖中可以看出，整體上純鎢的光譜發(fā)射率隨著波長的增加而減小，但在不同溫度下，純鎢的光譜發(fā)射率隨波長變化的趨勢不同。在573和673 K，光譜發(fā)射率隨波長的變化整體較為穩(wěn)定，在6～7 μm之間的噪聲主要是由于空氣中水蒸氣的吸收所造成的，整體上光譜發(fā)射率隨波長的增加而減小。在773和873 K，純鎢的光譜發(fā)射率在3～7 μm之間都發(fā)生了強(qiáng)烈的振蕩，特別是在4.2和6.3 μm出現(xiàn)了兩個明顯的波峰，這可能是由于輻射信號沿光路進(jìn)入探測器時受到大氣中二氧化碳和水蒸氣的吸收所造成的。從圖中可以看出，在773 K時，最大值出現(xiàn)在4 μm附近，而且該處的發(fā)射率值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于573和673 K時的值，在9 μm附近出現(xiàn)了一個小的峰值，由此可以推斷，該現(xiàn)象為純鎢氧化后鎢基底和表面氧化膜發(fā)生干涉后呈現(xiàn)的效果。在873 K時，純鎢的光譜發(fā)射率明顯大于773 K時的值，在實驗過程中我們也觀察到純鎢的表面顏色發(fā)生了明顯的變化，在4, 9, 12.5和16.5 μm附近均出現(xiàn)了峰值，由此可見，在溫度較高時，氧化更為嚴(yán)重，干涉現(xiàn)象更為明顯。在之前的研究中，我們對發(fā)生干涉的原理已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析[11]。

圖4 波長對純鎢光譜發(fā)射率的影響

2.4 加熱時間的影響

圖5為純鎢光譜發(fā)射率在5個特定波長下隨加熱時間的變化。研究發(fā)現(xiàn)，純鎢在573和673 K時，光譜發(fā)射率隨著加熱時間的增加基本不發(fā)生改變，由此可見，純鎢表面未發(fā)生氧化，光譜發(fā)射率不隨加熱時間變化。當(dāng)純鎢加熱到773和873 K時，隨著加熱時間的增加，其光譜發(fā)射率在5個特定波長下逐步增加，只是在兩個溫度下增加的快慢不同。純鎢在773 K時，光譜發(fā)射率隨加熱時間變化的比例關(guān)系近似一條直線，并且隨著波長的增大直線斜率變小，這說明純鎢在較小波長下其光譜發(fā)射率隨加熱時間的增加比較大波長下增加的更快。純鎢在873 K時，在5個特定波長下光譜發(fā)射率的變化近似于773 K時，只是其斜率值更小，并且隨著加熱時間的增加變化的比較緩慢。上述現(xiàn)象是由于純鎢在773 K才開始發(fā)生氧化，其表面隨著加熱時間的增加，出現(xiàn)氧化膜并且厚度逐漸增加，這時光譜發(fā)射率以較快的速度增加，在873 K時，純鎢表面形成穩(wěn)定的氧化膜，其氧化膜厚度增加變緩，純鎢光譜發(fā)射率的增加速度變緩。由此可見，當(dāng)溫度達(dá)到一定值時，氧化時間對光譜發(fā)射率也有很大的影響，而且遵循一定的規(guī)律。

3 結(jié) 論

通過純鎢的光譜發(fā)射率的測量，分別研究了氧化，溫度，波長和加熱時間對其光譜發(fā)射率的影響。研究結(jié)果表明： 未氧化的純鎢的光譜發(fā)射率受溫度的影響較小，隨溫度的增加僅出現(xiàn)微小的增大。在大氣環(huán)境中，純鎢的光譜發(fā)射率在573和673 K時非常穩(wěn)定，當(dāng)溫度增加至773和873 K時，光譜發(fā)射率急劇增加，并且在幾個波長位置觀察到了干涉現(xiàn)象。在所研究的波長范圍內(nèi)，純鎢發(fā)生氧化后，其光譜發(fā)射率隨溫度升高增加迅速，并且隨著加熱時間的增加而增加，氧化初始階段光譜發(fā)射率增加更為明顯。這幾個現(xiàn)象可以從以下幾個方面解釋： 當(dāng)溫度較低時，純鎢表面未發(fā)生氧化，此時光譜發(fā)射率比較穩(wěn)定。當(dāng)溫度升高到773 K時，純鎢開始發(fā)生氧化，樣品表面形成氧化膜，鎢基底與氧化膜向外輻射時發(fā)生了輻射干涉，鎢的光譜發(fā)射率發(fā)生振蕩。綜上所述，純鎢氧化后的光譜發(fā)射率將發(fā)生巨大的改變，在實際應(yīng)用中，應(yīng)充分考慮光譜發(fā)射率變化對測溫、輻射熱傳輸計算等造成的影響。

圖5 加熱時間對純鎢光譜發(fā)射率的影響