超细化辐射涂料的节能机理

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2001.03.022 第26卷第3期 北京科技大学学报 Vol.26 No.3 2004年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2004 超细化辐射涂料的节能机理 夏德宏吴永红 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要从微观和宏观这两个角度分析了影响涂料发射率的主要因素，提出了一种新的黑体 模型.理论分析和实际应用表明，涂料超细化可以有效地提高涂料的发射率， 关键词发射率：黑体模型；超细化；纳米化 分类号TK224.13 近年来，面对日益严重的能源危机问题，对 爱因斯坦考虑了没有相互作用的原子组 高发射率节能涂料、高吸收率节能涂料等各种辐 成的处于热力学平衡状态的体系，这些原子具有 射节能涂料的研究广泛地开展起来，并在冶金、 分立的、按由小到大的顺序排列的能量，E,E2,, 石化、陶瓷、机械等行业的轧钢加热炉、各种热处 当原子由一个能级状态跃迁到另一个能级状态 理炉、高温热风炉、隧道窑及各种锅炉上得到了 时，就伴随着发射或吸收光子，并存在自发辐射 成功应用，辐射节能涂料的综合节能效果一般 跃迁、感生辐射跃迁和受激吸收跃迁这三种跃迁 在10%左右.为了进一步提高其节能率以达到节 机制.由于原子之间没有相互作用力，利用玻尔 能降耗的目的，需要对辐射节能涂料作更加深入 兹曼分布律可得平衡辐射场的单色辐射强度： 的研究.然而近年来的理论研究与实际应用都表 2hy 【（(T)=cem-d (2) 明，辐射节能涂料的超细化可以进一步提高涂料 其中，h为普朗克常数，h=6.6256×10Js;y为辐 的发射率与吸收率，从而带来更加显著的节能效 射频率；c,为光在介质中的传播速度，此式即为 果 普朗克辐射公式，此时的单色辐射强度I为同 温度下单色辐射强度的最大值，若将之沿全频区 1辐射机理 进行积分可以得到黑体辐射四次方定律.但爱因 11辐射理论与黑体辐射 斯坦辐射理论只是针对无相互作用的原子体系 任何物质都是由大量的分子、原子或离子等 而言的，即许多无相互作用原子的集合，物质在 基本粒子所组成，这些基本粒子都处于一定的能 此状态下可以发射出同温度下的最大辐射能流 级状态之中，但处于不同能级各状态的概率是不 密度， 相同的.对于处于平衡态的气体中的原子、分子、 黑体是指能够吸收全部投射辐射的物体，它 布朗粒子，以及液体、固体中的很多粒子，当粒子 是一个理想的辐射体.传统黑体模型是一个由等 之间的相互作用很小而可以忽略时，玻尔兹曼提 温壁面所围成的圆柱形空腔，并在腔壁上开一个 出了一种普遍的能级分布规律，当物质的温度为 小孔·若小孔相对整个空腔的尺寸足够小，外界 T时，粒子处于能量为6,62这两种任意状态下的 辐射能投射进入小孔内，经过腔壁的多次反射而 粒子数密度之比为回： 逐渐被墙壁所吸收，而从小孔射出辐射能的几率 分-en7 (1) 很小，因而相当于一个黑体.精确的绝对黑体模 型的发射率可达0.999以上. 其中m:和m分别表示粒子能量为6的某一状态 传统的黑体模型在工程实际中并不能直接 与粒子能量为62的另一状态上的粒子数密度，K 和方便地应用.其实，从玻耳兹曼能量分布律及 为玻耳兹曼常数，T为物质的温度， 爱因斯坦辐射理论的导出过程得到启发，还可以 收稿日期2002-12-16夏德宏男，40岁，教授 提出如图1所示微作用粒子黑体模型，此模型的

第 ‘ 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 超细 化辐射涂料 的节能机理 夏德 宏 吴 永 红 北京科 技大学 机械工 程 学 院 ， 北 京 摘 要 从 微 观 和 宏 观 这 两 个 角度 分析 了影 响涂 料发 射 率 的主 要 因 素 ， 提 出 了一 种 新 的 黑 体 模型 ， 理 论 分析 和 实 际应用表 明 ， 涂料超 细 化 可 以有 效地 提 高涂料 的发射 率 关 键 词 发 射 率 黑 体模型 超 细 化 纳 米化 分 类号 近 年 来 ， 面对 日益 严 重 的能源 危 机 问题 ， 对 高 发射 率节 能涂 料 、 高 吸 收率 节 能涂料 等 各 种辐 射 节 能涂 料 的研 究广 泛 地 开 展 起 来 ， 并 在冶 金 、 石化 、 陶 瓷 、 机 械 等 行 业 的轧钢 加 热 炉 、 各种 热 处 理 炉 、 高 温 热 风 炉 、 隧 道 窑 及 各种 锅 炉 上 得 到 了 成 功应 用 〔，， 辐 射 节 能涂 料 的综合 节 能 效 果 一 般 在 左 右 为 了进 一 步提 高其 节 能率 以达 到 节 能降耗 的 目的 ， 需要 对 辐 射 节 能涂料 作更加 深 入 的研 究 然而近 年来 的理 论 研 究与 实 际应 用 都表 明 ， 辐 射 节 能涂 料 的超 细 化 可 以进 一 步提 高涂 料 的发射 率 与 吸 收 率 ， 从 而 带来 更 加 显 著 的节 能效 果 爱 因斯 坦 卜 考 虑 了没 有 相 互 作用 的原 子 组 成 的处 于 热 力 学平 衡 状 态 的体系 ， 这 些 原 子 具有 分立 的 、 按 由小 到 大 的顺 序 排 列 的能量肠 ， 。 ，， 伪 ，… ， 当 原 子 由一 个 能 级 状 态 跃 迁 到 另 一 个 能 级 状 态 时 ， 就 伴 随着 发 射 或 吸 收 光 子 ， 并存 在 自发 辐 射 跃 迁 、 感 生辐 射 跃 迁 和 受激 吸 收跃 迁 这 三 种 跃 迁 机 制 由于 原 子 之 间没 有 相 互 作 用 力 ， 利 用 玻 尔 兹 曼 分 布 律 可 得 平 衡 辐 射 场 的单 色 辐 射 强度 。 劝 护 若 蒯 乃 一 辐 射 机 理 辐 射 理 论 与黑 体 辐 射 任 何 物质 都 是 由大 量 的分 子 、 原 子 或 离子 等 基 本粒子 所 组 成 ， 这些 基 本粒 子 都 处 于 一 定 的能 级状 态之 中 ， 但 处 于不 同能级各 状 态 的概 率 是不 相 同 的 对 于 处 于平 衡 态 的气 体 中 的原 子 、 分 子 、 布 朗粒 子 ， 以及 液体 、 固体 中 的很 多粒 子 ， 当粒 子 之 间 的相 互 作 用 很 小而 可 以忽 略 时 ， 玻 尔 兹 曼提 出 了一 种 普 遍 的能级 分布 规律 当物质 的温 度 为 时 ， 粒 子 处 于 能量 为自 ， 负 这 两 种任 意状 态 下 的 粒 子 数 密 度 之 比 为 ‘ 、 ￡ 一 岛、 — 一 石干厂 厄 气 ， 刀 ‘ 人 其 中 和 分 别 表 示 粒 子 能 量 为 ， 的某 一 状 态 与粒 子 能量 为 。 的另一 状 态 上 的粒 子 数 密度 ， 为玻 耳 兹 曼 常 数 ， 为物 质 的温 度 收稿 日期 一 一 夏 德 宏 男 ， 岁 ， 教授 其 中 ， 为普 朗克 常 数 ， 一 抖 ， 为辐 射 频 率 、 为 光 在 介 质 中 的传 播 速 度 此 式 即 为 普 朗克辐 射 公 式 ， 此 时 的 单 色 辐 射 强度云咖 为 同 温 度 下 单 色 辐 射 强度 的最 大值 ， 若 将 之 沿全 频 区 进 行积 分 可 以得 到 黑 体辐 射 四次 方 定律 但 爱 因 斯 坦 辐 射 理 论 只 是 针 对 无 相 互 作 用 的 原 子 体 系 而 言 的 ， 即许 多无 相 互 作用 原子 的集 合 物质 在 此 状 态 下 可 以发 射 出 同温 度 下 的最 大 辐 射 能 流 密 度 黑 体 是 指 能够 吸 收 全 部投 射 辐 射 的物 体 ， 它 是 一个 理 想 的辐 射 体 传 统 黑 体 模 型 是 一个 由等 温 壁 面 所 围成 的 圆柱 形 空腔 ， 并在 腔壁 上 开 一 个 小 孔 若 小孔 相 对 整 个 空 腔 的尺 寸 足 够 小 ， 外 界 辐 射 能投 射 进 入 小孔 内 ， 经 过 腔 壁 的多 次反射 而 逐渐 被 墙 壁 所 吸 收 ， 而 从 小孔 射 出辐 射 能 的几 率 很 小 ， 因 而 相 当于 一 个 黑体 精 确 的绝对 黑 体 模 型 的发 射 率 可 达 以上 传 统 的 黑 体 模 型 在 工 程 实际 中 并 不 能 直 接 和 方 便 地 应 用 其 实 ， 从 玻 耳 兹 曼 能 量 分 布 律及 爱 因斯 坦辐 射 理 论 的导 出过程 得 到启 发 ， 还 可 以 提 出如 图 所 示 微 作 用 粒 子 黑体模 型 此模 型 的 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．2004．03．022

·312· 北京科技大学学报 2004年第3期 表面是·层厚度为d,微观上很松散、辐射波容易 收率，因此超细化是进步提高辐射涂料的发射 进入这层物质而不在其表面形成反射的物质，组 率与吸收率最有效的途径之一， 成此层物质的微观粒子间基本上无相互作用力， 1.2影响物体发射率的因素 在普通的物体表层涂上·层粒径极其微小的涂 从物体的表面辐射特性进行电磁理论分析， 料就是这种模型的近似结构.一般来说，固体的 一般介质相对理想电介质的相应偏振的定向单 穿透深度很小，其数量级为μm.应当指出：这里 色反射率为： 所说的微观松散的物质是特指在微观尺度上的 [(n-k)cos0-a+[2nkcos0-62 (3) 松散，在宏观尺度上这些物质还可以是连续和致 Paw-(n-k)cos@+a]+[2nkcos0+b] _(cos0-a)2+b 密的，如纳米粉体制成的涂层等. (cos0+a)2+b2 (4) a-b'=n-k2-sin'0 式中，4，b由方程组 所确定 锢射 辐射 ab=nk 微观松散 I+[G(εo+1z 物质 n=CoVeμ 2 (5) k=cvm小Yi+oleo-l 2 (6) PH和Pmv分别为平行偏振的定向单色反射率和垂 直偏振的定向单色反射率，0为入射角，n为介质 的单色折射系数，k为介质的单色吸收指数， 图1微作用粒子黑体模型 Fig.1 Blackbody model of particles with inter-particle force 为真空中的光速，e为介质的介电常数，4为介质 的磁导率，σ为介质的电导率，ω=2πv为电磁波 从爱因斯坦辐射理论可以看出，若不考虑原 的角频 子间的作用力，而且发生辐射跃迁的原子数目足 由式(3)和(4)可得物体的定向单色发射率： 够多，任何物体的辐射规律都满足黑体辐射规 律.更进一步说，若粒子（分子、原子及离子）间无 ea2,=2l-p)+(1--pe】 (7) 相互作用力，由足够多的这种粒子所组成的宏观 而物体的半球单色发射率可由下式计算出： 物体即为黑体.在图1所示黑体模型中，由于上 c.T-.cos0Q (8) 面那层微观松散物质的粒子之间基本上无相互 由上面的分析可以看出，影响物体发射率的 作用力，粒子之间的间距较大，从外界投射的辐 主要因素有物体的折射系数与吸收指数，这两个 射能能够全部进入这层物质中，无论是在物质表 光学常数与物体的电磁特性有关.根据上述数学 面还是在物质内部基本上无反射现象发生，辐射 模型，由式(3)，(4)，(7)和(8)可以计算出物体的半球 能在传播的过程中逐渐地被物质所吸收，因而此 单色发射率.由于式(3)和(4)比较复杂，不能利用 模型的发射率与吸收率都接近于1，可以认为是 式（⑧）直接求出物体的半球单色发射率，需要对 黑体模型. 其进行数值计算.图2与图3是数值计算后得出 实际上任何物质中的基本粒子之间都是有 的物体单色折射系数与单色吸收指数对其半球 相互作用的，因而并不存在绝对的黑体，如果能 单色发射率的影响. 够减小粒子之间的相互作用，则可以有效地提高 从图2中可以看出，当物体的折射系数一定 物体的发射率与吸收率，使之逐步接近黑体.粒 时，随着单色吸收指数的增加，物体的半球单色 子间作用力在很大程度上取决于粒子之间的间 发射率不断地减小，即减小单色吸收指数可以增 距，间距越大，粒子间的作用力就越小，所以增加 加物体的单色发射率，另外，当物体的吸收指数 粒子之间的间距是减小粒子间作用力最简单也 较小时，一般物体的单色发射率都比较大，而且 最可行的一种方法.而将物质超细化或纳米化 单色发射率随折射系数的减小而增加：然而当物 后，可以大幅度增加粒子之间的间距，从而降低 体的吸收指数较大时，物体的单色发射率则比较 粒子之间的相互作用力，如果最终将物质细化成 小，但提高折射系数可以增加单色发射率， 单个的基本粒子（极限状态），此时粒子间的作用 图3的计算结果表明：物体的单色折射系数 力为零，那么由它所组成的物体即为黑体，综上 对单色发射率的影响则比较复杂，在不同的单色 所述，超细化可以有效地提高物体的发射率与吸 折射系数下，物体的单色发射率存在一个极大

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 收率 ， 因此 超 细 化 是进 一 步提 高辐 射 涂 料 的发射 率 与 吸 收 率最 有 效 的途 径之 一 影 响物 体 发 射 率 的 因 素 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 相 应 偏 振 的 定 向单 色 反 射 率 为陈 一气、 、了、 硕 了、 表 面是 一 层 厚度 为，微 观 上 很 松 散 、 辐 射 波 容 易 进 入 这层 物质 而 不在 其 表 面 形 成 反射 的物质 ， 组 成 此层 物质 的微观 粒 子 间基 本 上 无 相 互 作用 力 ， 在 普 通 的物 体 表 层 涂 上 一 层 粒 径 极 其 微 小 的涂 料 就 是这 种 模 型 的近 似 结 构 一 般 来 说 ， 固体 的 穿透 深 度 很 小 ， 其 数 量 级 为林 应 当指 出 这 里 所 说 的微 观 松 散 的物 质 是特 指 在 微 观 尺 度 上 的 松 散 ， 在 宏观 尺 度 上 这些物 质还 可 以是 连 续 和致 密 的 ， 如 纳 米粉 体 制 成 的涂层 等 少二兰〕些望二因且互左些旦丝上 仁气刀 一 人 宁以 一 乙刀人 口 」 伽糯象黯 辐射 辐射 式 中 ， ， 由方程 组 所 确 定 观松散 户 、、尹尹 乙︸、 古、 ‘ 扩一 二 一 一 物质 可 一 。 。 俪 一 。 俪 迫三亘画亚丝亡」 丫 创 。 〕 ，一 合 图 微 作 用 粒子 黑 体模 型 川 一 从 爱 因 斯 坦 辐 射 理 论 可 以看 出 ， 若 不考 虑 原 子 间 的作用 力 ， 而 且 发 生辐 射 跃迁 的原 子数 目足 够 多 ， 任 何 物 体 的辐 射 规 律 都满 足 黑 体辐 射 规 律 更进 一 步说 ， 若粒 子 分 子 、 原 子 及 离 子 间无 相 互 作用 力 ， 由足 够 多 的这种粒 子 所 组 成 的宏 观 物 体 即 为 黑 体 在 图 所 示 黑 体 模 型 中 ， 由于 上 面 那 层 微 观 松 散 物 质 的 粒 子 之 间基 本 上 无 相 互 作用 力 ， 粒 子 之 间 的 间距 较 大 ， 从 外 界投 射 的辐 射 能能够 全 部进 入 这 层物 质 中 ， 无 论 是在物质 表 面还 是在物质 内部 基 本 上 无 反射 现 象 发 生 ， 辐 射 能在传 播 的过程 中逐渐地被 物 质 所 吸 收 ， 因 而 此 模 型 的发射 率 与 吸 收 率 都接 近 于 ， 可 以认 为 是 黑 体 模 型 实 际 上 任 何 物 质 中 的基 本 粒 子 之 间 都 是 有 相 互 作 用 的 ， 因 而 并 不 存 在 绝 对 的黑 体 ， 如 果 能 够 减 小粒 子之 间 的相 互 作用 ， 则可 以有 效 地提 高 物 体 的发 射 率 与 吸 收 率 ， 使 之 逐 步 接 近 黑 体 粒 子 间作用 力在 很 大 程 度 上 取 决 于 粒 子 之 间 的 间 距 ， 间距 越 大 ， 粒子 间 的作用 力就越 小 ， 所 以增加 粒 子 之 间 的 间距 是减 小 粒 子 间作 用 力 最 简 单 也 最 可 行 的 一 种 方 法 而 将 物 质 超 细 化 或 纳 米 化 后 ， 可 以大 幅度 增 加 粒 子之 间 的 间距 ， 从 而 降低 粒 子 之 间 的相 互 作 用 力 ， 如 果最 终将 物 质 细 化 成 单个 的基 本粒 子 极 限状 态 ， 此 时粒 子 间 的作用 力 为零 ， 那么 由它 所 组 成 的物 体 即 为 黑 体 综 上 所 述 ， 超 细化 可 以有 效地 提 高物 体 的发射 率 与 吸 、 和 分别 为平行 偏 振 的 定 向单 色 反 射 率和 垂 直 偏 振 的定 向单 色 反射 率 ， 为入 射 角 ， 为介质 的 单 色 折 射 系 数 ， 为 介 质 的 单 色 吸 收 指 数 ， 为真 空 中 的光速 ， 。 为介 质 的介 电常 数 ， 召 为介 质 的磁 导 率 ， 为 介 质 的 电 导 率 ， 。 二 为 电磁 波 的角频 由式 和 可 得 物 体 的定 向单 色 发射 率 。 · 以 ， 一 合〔 一。 二 一。 二 〕 而 物 体 的半 球 单色 发射 率 可 由下 式 计 算 出 ‘ 、 ， 。 一 音工 二 陇以 ， 。 ， 。 。 ‘ 由上 面 的分析 可 以看 出 ， 影 响物 体 发射 率 的 主 要 因素 有物 体 的折射 系数 与吸 收 指数 ， 这两 个 光 学常 数 与物体 的 电磁特性 有关 根 据 上 述 数 学 模 型 ， 由式 ， ， 和 可 以计 算 出物 体 的半球 单 色 发射 率 由于 式 和 比较 复杂 ， 不 能利 用 式 直 接 求 出物 体 的 半球 单色 发 射 率 ， 需要对 其 进 行 数 值 计 算 图 与 图 是 数 值 计 算 后 得 出 的物 体 单 色 折 射 系 数 与 单 色 吸 收 指 数 对 其 半 球 单 色 发 射 率 的影 响 从 图 中可 以 看 出 ， 当物 体 的折 射 系数 一 定 时 ， 随着 单 色 吸 收 指 数 的增 加 ， 物 体 的半球 单 色 发射 率 不 断地减 小 ， 即减 小单色 吸 收指 数 可 以增 加物 体 的单 色 发射 率 另外 ， 当物 体 的吸 收指 数 较 小 时 ， 一 般 物 体 的单 色 发 射率 都 比 较 大 ， 而 且 单色 发射 率 随折射 系数 的减 小而 增加 然 而 当物 体 的吸 收指数较 大 时 ， 物 体 的单 色 发射 率 则 比较 小 ， 但 提 高折 射 系 数 可 以增 加 单 色 发射 率 图 的计 算 结 果 表 明 物 体 的 单色 折 射 系 数 对 单色 发射 率 的影 响 则 比较 复杂 ， 在 不 同的单色 折 射 系 数 下 ， 物 体 的单 色 发 射 率 存 在 一 个 极 大

Vol.26 No.3 夏德宏等：超细化辐射涂料的节能机理 313 值；在极大值左侧，单色发射率随着折射系数的 体的发射率.辐射波的穿透深度与物质的种类与 增大而增大；而在极大值右侧，单色发射率随着 微观上的致密程度有关，不同的物质具有不相同 折射系数的增大而减小，从图3中还可以看出， 的穿透深度.另外，微观上致密的物质其穿透深 随着吸收指数的不断减小，物体的半球单色发射 度很小，微观上松散的物质具有较大的穿透深 率的极大值向单色折射系数小的方向移动，而当 度，而物体的致密程度又与其颗粒的大小有关， 吸收指数为0时，半球单色发射率的极大值为1，颗粒直径越小，物体的比表面积越大，物体结构 此时的折射系数也为1.另外在图中当物体的折 就越松散.当物体的颗粒直径小到-·定的程度， 射系数很大时，单色发射率基本上不随吸收指数 例如成为纳米材料时，即使是导电的金属也成为 的变化而变化，与吸收指数无关， 不良导体，其电导率趋于0，根据式(6)和(9)计 总之，要提高物体的发射率，就必须尽量减 算可得其吸收指数k一0，穿透深度d-0,从而物 小物体的单色吸收指数，若物体的单色吸收指数 体的发射率会有很大幅度的提高，若此时物体的 较小，降低折射系数有利于提高单色发射率；反 折射系数n=1即可达到黑体.从式(9)可以看出， 之，提高折射系数有利于增大物体的单色发射 物体的穿透深度与辐射波的波长相当，而绝对黑 率，当物体的单色吸收指数和单色折射系数分别 体的穿透深度d→0，这就要求黑体的宏观尺寸 为0和1时，物体的发射率能够达到最大值1，即 趋于无穷大，所以绝对黑体是不存在的.实际上 为黑体.实际物体的单色吸收指数与析射系数都 物体在折射系数n=1的情况下，只要吸收指数 不可能达到这两个值，所以一般的物体都具有一 k<0.001,这时物体的发射率>0.9995，已经很接 定的反射能力，其反射率与吸收率都小于】.物 近黑体，而此时辐射波的穿透深度还是很小的， 体的吸收指数k与其辐射波的穿透深度d有关， 对于波长范围为0.76-20μm的热辐射而言，其辐 两者的关系为圆： 射波的穿透深度分别为60.5μm和1591.54m,另 d=Ank (9) 外，结构松散的物质也可以降低物体的折射系 其中，入为真空中光的波长，所以提高辐射波的 数，能够进“步达到提高发射率的效果 穿透深度可以降低物体的吸收指数，从而提高物 所以将物质超细化、纳米化，使其具有微观 的松散结构，无论从微观上还是从宏观上都可以 1.0 说明它能够有效地提高物体的发射率，从而达到 0.8 节能降耗的效果 0.6 =4 1 0.4 2性能测试与实践 1=6 0.2 对不同粒径的BJ系列辐射节能涂料进行性 0.0 0.0 2.04.06.0 8.010.0 能测试的结果如图4所示，图4表示颗粒直径的 吸收指数k 变化对涂料发射率的影响. 图2吸收指数对半球单色发射率的影响 从图中可以看出，涂料的平均粒径越小，涂 Fig.2 Effect of absorption index on mono-chromatic emi- 料的发射率就越大.当涂料的平均粒径为55μm ssivity 时，其发射率e=0.87:平均粒径为15um时，涂料 1.0 k=0 的发射率己经增至0.90：进一步减小颗粒的粒径 0.8 2 到2μm,这时涂料的发射率e=0.94.这充分说明 0.6 当涂料的粒径很小时，其微观结构就很松散，辐 -2 0.4 射波的穿透深度增大，可以降低涂料的吸收指数 =4 0.2 及折射系数，因而提高涂料的发射率，这进一步 0.0L 从实践上证明了超细化确实可以有效地提高物 1.0 3.05.07.0 9.0 体的发射率.另外，当物体的粒径较小时，随着涂 折射系数n 料平均粒径的不断减小，涂料的发射率有明显的 图3折射系数对半球单色发射率的影响 提高，而当涂料粒径很大时，粒径的变化对涂料 Fig.3 Effect of refraction index on mono-chromatic emi- 发射率的影响并不大，这是因为当涂料的粒径很 ssivity

夏 德 宏 等 超 细 化辐 射 涂 料 的 节 能机 理 一 值 在 极 大 值 左 侧 ， 单色 发 射 率 随着 折 射 系 数 的 增 大 而 增 大 而 在 极 大值 右 侧 ， 单 色 发射 率 随着 折 射 系 数 的增 大而 减 小 从 图 中还 可 以看 出 ， 随着 吸 收指 数 的不 断减 小 ， 物 体 的半球 单色 发射 率 的极 大值 向单色 折 射 系数 小 的方 向移 动 ， 而 当 吸 收指 数 为 时 ， 半球 单 色 发射 率 的极 大值 为 ， 此 时 的折 射 系数 也 为 另外 在 图 中 当物 体 的折 射 系数很 大 时 ， 单 色 发射 率基 本 上 不 随吸 收指 数 的变 化 而 变 化 ， 与 吸 收指 数 无 关 总之 ， 要 提 高物 体 的发 射 率 ， 就 必 须 尽 量 减 小物 体 的单色 吸 收指 数 若物 体 的单 色 吸 收 指 数 较 小 ， 降低 折 射 系 数 有 利 于 提 高 单 色 发 射 率 反 之 ， 提 高 折 射 系 数 有 利 于 增 大 物 体 的单 色 发 射 率 当物 体 的单 色 吸 收指 数 和 单 色 折 射 系数 分 别 为 和 时 ， 物 体 的发 射 率 能够 达 到 最 大 值 ， 即 为 黑 体 实 际物 体 的单 色 吸 收指 数 与折 射 系 数 都 不 可 能达 到这 两 个 值 ， 所 以一 般 的物 体 都 具 有 一 定 的反射 能 力 ， 其 反 射 率 与 吸 收 率 都 小 于 物 体 的 吸 收 指 数 与其 辐 射 波 的 穿透 深 度 有 关 ， 两 者 的关 系 为 阴， 又 。 ， 、 苦兰十 〔 ‘ 其 中 ， 又为真 空 中光 的波 长 所 以提 高辐 射 波 的 穿透 深度 可 以降低 物体 的吸 收指 数 ， 从 而提 高物 —一 一 体 的发射 率 辐 射 波 的穿透 深度 与物 质 的种 类 与 微 观 上 的致 密程 度 有 关 ， 不 同 的物 质 具 有 不 相 同 的 穿透 深 度 另 外 ， 微 观 上 致 密 的物 质 其 穿透 深 度 很 小 ， 微 观 上 松 散 的物 质 具 有 较 大 的 穿透 深 度 而 物 体 的致 密 程 度 又 与其 颗 粒 的大 小 有 关 ， 颗 粒 直 径 越 小 ， 物 体 的 比 表 面 积 越 大 ， 物 体 结 构 就 越 松 散 当物 体 的颗 粒 直 径 小 到 一 定 的程 度 ， 例 如 成 为纳 米 材 料 时 ， 即 使 是 导 电的金属 也 成 为 不 良导 体 ‘ ， 其 电导 率 趋 于 ， 根 据 式 和 计 算 可得其 吸 收指 数 一 ， 穿透 深度 二 ， 从 而 物 体 的发 射 率会 有 很 大 幅度 的提 高 ， 若 此 时物 体 的 折 射 系 数 即 可 达 到 黑 体 从 式 可 以看 出 ， 物 体 的穿透 深度 与辐 射 波 的波 长 相 当 ， 而 绝 对 黑 体 的 穿透 深 度 一 二 ， 这 就 要 求 黑 体 的宏 观 尺 寸 趋 于 无 穷 大 ， 所 以绝 对 黑 体 是 不 存 在 的 实 际 上 物 体 在 折 射 系 数 的情 况 下 ， 只 要 吸 收 指 数 ， 这 时物 体 的发 射 率 ， 已 经 很 接 近 黑 体 ， 而 此 时辐 射 波 的 穿透 深 度 还 是 很 小 的 ， 对 于 波 长 范 围为 一 的热 辐 射 而 言 ， 其 辐 射 波 的 穿透 深 度 分 别 为 林 和 林 另 外 ， 结 构 松 散 的物 质 也 可 以 降低 物 体 的折 射 系 数 ， 能够 进 一 步 达 到提 高 发 射 率 的效 果 所 以将 物 质 超 细 化 、 纳 米 化 ， 使 其 具 有 微 观 的松 散 结 构 ， 无 论 从微 观 上 还 是 从宏 观 上 都 可 以 说 明它 能够 有 效地提 高物体 的发射 率 ， 从而 达 到 节 能 降耗 的效 果 犷一 涣蕊 一一 刀 — 吸 收指 数 图 吸 收 指 数对 半 球 单 色 发射 率的 影响 一 好 升代， 心毕 洲 田 科 赞 升 折 射 系数 图 折 射 系数对 半球单 色 发 射 率 的 影响 ， 一 性 能测 试 与 实践 对 不 同粒 径 的 系 列 辐 射 节 能涂 料 进 行 性 能测 试 的 结 果 如 图 所 示 ， 图 表 示 颗 粒 直 径 的 变 化 对 涂 料 发射 率 的影 响 从 图 中可 以看 出 ， 涂 料 的平 均 粒 径 越 小 ， 涂 料 的发 射 率 就 越 大 当涂 料 的平 均 粒 径 为 林 时 ， 其 发射 率。 二 平 均 粒 径 为 林 时 ， 涂 料 的发射 率 己 经 增 至 进 一 步 减 小颗 粒 的粒 径 到 卜 ， 这 时涂 料 的发射 率 这 充分 说 明 当涂 料 的粒 径 很 小 时 ， 其 微 观 结 构 就 很 松 散 ， 辐 射波 的穿透 深度 增 大 ， 可 以降低 涂 料 的吸 收指 数 及 折 射 系 数 ， 因 而 提 高涂 料 的发 射 率 ， 这 进 一 步 从 实 践 上 证 明 了超 细 化 确 实可 以有 效 地 提 高 物 体 的 发射 率 另外 ， 当物 体 的粒 径 较 小 时 ， 随着涂 料平 均 粒 径 的不 断减 小 ， 涂 料 的发射 率有 明显 的 提 高 ， 而 当涂 料 粒 径 很 大 时 ， 粒 径 的变化 对 涂 料 发射 率 的影 响并 不 大 ， 这 是 因为 当涂 料 的粒 径 很 葛莽侧司针共粉 乃‘

◆314· 北京科技大学学报 2004年第3期 大时，涂料的投射深度与吸收指数基本保持不 吸收指数较小，降低折射系数有利于提高单色发 变，所以涂料的发射率基本上不变化 射率；反之，提高折射系数有利于增大物体的单 色发射率. 1.00 (3)将物质超细化，减小物体颗粒的直径，能 0.95 够增加物体对辐射波的穿透深度，降低物体的吸 收指数，从而达到提高物体发射率的目的. 东0.90 (4)对超细化辐射节能涂料的性能进行测试 表明，物体的粒度越小其发射率越大，超细化确 0.85- 实可以有效地提高物体的发射率， 0.80 010 2030405060 参考文献 粒径D/um ㄧ蔡希亮，等，高辐射节能耐火涂料在冶金高温炉窑 图4颗粒直径对BJ型节能涂料发射率的影响 上应用的探索[).钢铁，1997,32(Suppl):68 Fig.4 Effect of particle diameter on the emissivity of BJ- 2秦允豪.热学M).北京：高等教育出版社，I999 type energy-saving coatings 3 Hottel,Hoyt C,Sarofim A F.Radiative Transfer [M].New York:McGraw-Hill Book Company,1967 3结论 4埃克特ERG,德雷克RM.传热及传质分析[M.北 京：科学出版社，1983 (1)若不考虑原子间的作用力，而且辐射跃迁 5 Dunkle R V.Theory and Fundamental Research in Heat 的原子数目足够多，任何物体的辐射规律都满足 Transfer [M].New York:Pergamon Press,1963 黑体辐射规律.更进一步说，由足够多的、无相互 6 Reiss,Harald.Radiative Transfer in Nontransparent,Di- 作用力的基本粒子（分子、原子及离子）所组成的 spersed Media [M].Berlin:Springer-Verlag,1988 微观上松散的物体在工程上即可视为黑体， 7孙鸿宾，辐射换热M.北京：冶金.工业出版社，1996 8方容川.固体光谱学M小，合肥：中国科技技术大学 (2)影响物体发射率的主要因素有物体的折 出版社，2001 射系数与吸收指数，要提高物体的发射率，就必 9张立德，牟季美.纳米材料和纳米结构[M).北京：科 须尽量减小物体的单色吸收指数.若物体的单色 学出版社，2001 Energy Saving Mechanism of Ultra-attenuated Radiation Coating XIA Dehong,WU Yonghong Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT Major inlencmg factors on the emissivity of coatings are analyzed microscopicly and macroscopicly respectively.A blackbody model is proposed.It is proved that decreasing the particle size of coatings,can increase the emissivity of the coatings both theoretically and practically. KEY WORDS emissivity;blackbody model;ultra-attenuation;nanocrystallization

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 大 时 ， 涂 料 的投 射 深 度 与 吸 收 指 数 基 本 保 持 不 变 ， 所 以涂 料 的发射 率基 本 上 不 变 化 哥布绷匆 粒 径 林训 图 颗 粒直 径 对 型 节 能涂 料 发射 率 的 影 响 一 结论 若不考 虑 原 子 间 的作用 力 ， 而 且辐射 跃迁 的原子 数 目足 够 多 ， 任 何物 体 的辐 射 规律 都满 足 黑 体辐射 规律 更进 一 步说 ， 由足 够 多 的 、 无 相 互 作用 力 的基本粒 子 分子 、 原 子及 离 子 所 组成 的 微 观 上 松 散 的物 体 在 工 程 上 即可 视 为 黑 体 影 响物 体 发射 率 的主 要 因素 有 物 体 的折 射 系数 与吸 收 指 数 ， 要 提 高物 体 的发射 率 ， 就 必 须尽 量减 小物 体 的单色 吸 收指数 若 物 体 的单 色 吸 收指 数较 小 ， 降低 折射 系 数 有利 于 提 高单色 发 射 率 反 之 ， 提 高折 射 系 数 有 利 于 增 大物 体 的单 色 发 射 率 将 物质 超 细 化 ， 减 小物 体 颗 粒 的直 径 ， 能 够 增加 物体对 辐 射 波 的穿透 深 度 ， 降低物 体 的吸 收指 数 ， 从 而 达 到提 高物 体 发射 率 的 目的 对 超 细 化 辐 射 节 能涂 料 的性 能进 行 测 试 表 明 ， 物 体 的粒 度 越 小 其 发射 率越 大 ， 超 细 化 确 实可 以有 效 地 提 高物 体 的发射 率 参 考 文 献 蔡希亮 ， 等 高辐 射 节 能 耐 火涂 料 在 冶 金 高温 炉 窑 上 应 用 的探 索 钢 铁 ， ， 秦 允 豪 热 学「〕 北 京 高等 教育 出版 社 ， ， ， 一 ， 埃 克特 ， 德 雷 克 传 热 及 传 质 分 析 北 京 科学 出版 社 ， 」 ， ， ， 【 」 一 ， 孙 鸿 宾 辐 射 换 热 【 』北 京 冶 金 工 业 出版 社 ， 方 容 川 固体 光 谱 学 合 肥 中国科技 技 术大 学 出版 社 ， 张 立德 ， 牟季 美 纳 米 材 料 和 纳 米 结 构 北 京 科 学 出版 社 ， 一 刀通 ， ， ， ， ， 勿 一