于 坤,石瑞濤,張會(huì)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
鎢是一種重要的稀有金屬,由于其高熔點(diǎn)、高密度、高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于國(guó)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(guó)鎢儲(chǔ)量居世界首位,同時(shí)也是最大的消費(fèi)國(guó)。如何合理有效的利用鎢資源,發(fā)揮其在國(guó)際上的重大經(jīng)濟(jì)影響力,成為中國(guó)鎢工業(yè)亟需解決的問題。
在純鎢的冶煉和實(shí)際應(yīng)用過程中,溫度的實(shí)時(shí)控制與精確測(cè)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(cè)溫方式主要有兩種: 接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫。接觸式測(cè)溫常用熱電偶進(jìn)行測(cè)溫,測(cè)溫穩(wěn)定且精度相對(duì)較高,但是必須要與被測(cè)物體接觸,且測(cè)溫范圍有限,對(duì)于鎢、鉬等熔點(diǎn)較高的材料熱電偶無法用于長(zhǎng)期測(cè)量。非接觸式測(cè)溫目前以輻射測(cè)溫為主,該方法主要通過測(cè)量待測(cè)目標(biāo)發(fā)出的紅外輻射實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量,具有不破壞溫度場(chǎng),響應(yīng)速度快,測(cè)溫范圍寬等優(yōu)點(diǎn)[1-2],是目前工業(yè)上廣泛使用的一種測(cè)溫方法。輻射測(cè)溫能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量物體表面的亮溫,但是要得到物體表面的真實(shí)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(gè)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(cè)溫精度的一個(gè)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(shí)際意義。
近年來,有關(guān)純鎢發(fā)射率已有一些研究報(bào)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(duì)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(gè)不同波長(zhǎng)下純鎢的光譜發(fā)射率,并得出純鎢的X點(diǎn)在波長(zhǎng)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(cè)量提供了一些光譜發(fā)射率數(shù)據(jù),但是受測(cè)量?jī)x器限制,已有研究的波長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)量裝置,在氧化和未氧化兩種情況下,對(duì)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(zhǎng)(3~20 μm)、加熱時(shí)間對(duì)純鎢光譜發(fā)射率的影響。
實(shí)驗(yàn)室自主搭建的光譜發(fā)射率測(cè)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(gè)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(cè)量樣品表面溫度,測(cè)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院校準(zhǔn)(校準(zhǔn)編號(hào): 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(gè)鍍金平面鏡(M2和M4)和兩個(gè)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(gè)電動(dòng)位移平臺(tái)上,可以在位置1和位置2之間交替移動(dòng)。當(dāng)鍍金平面鏡M2在位置1時(shí),傅里葉紅外光譜儀直接接收來自黑體的輻射信號(hào),當(dāng)鍍金平面鏡M2在位置2時(shí),黑體的輻射信號(hào)被其阻擋,這時(shí)光譜儀接收來自樣品的輻射信號(hào)。測(cè)量裝置的整體不確定度優(yōu)于5%。
圖1 光譜發(fā)射率測(cè)量裝置原理圖
待測(cè)樣品為4個(gè)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(cè)量了樣品表面的粗糙度,以確保4個(gè)樣品表面形貌和粗糙度基本一致。測(cè)量過程如下:
(1)待測(cè)樣品經(jīng)過仔細(xì)的清洗后,將第1個(gè)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(cè)量樣品表面和黑體的光譜輻射能,根據(jù)公式計(jì)算出光譜發(fā)射率值[11],此時(shí)測(cè)量的值為未氧化時(shí)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(jì)時(shí),分別測(cè)量樣品在573 K,加熱10,20,30,40,50和60 min時(shí)的樣品輻射,并計(jì)算出光譜發(fā)射率。
(3)冷卻樣品至室溫,更換第2個(gè)樣品加熱至673 K,重復(fù)前述測(cè)量過程,測(cè)量出673 K未氧化和氧化時(shí)的光譜發(fā)射率值以及在不同氧化時(shí)間下的光譜發(fā)射率。
(4)按照上述實(shí)驗(yàn)步驟,將第3和第4個(gè)樣品分別加熱至773和873 K,重復(fù)上述測(cè)量過程,測(cè)得氧化前后4個(gè)樣品在不同溫度和加熱時(shí)間下的光譜發(fā)射率。
圖2所示為純鎢在4個(gè)溫度點(diǎn)未氧化和氧化60 min后的光譜發(fā)射率隨波長(zhǎng)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(zhǎng),在873 K,純鎢的光譜發(fā)射率在整個(gè)測(cè)量波段都大于其他3個(gè)溫度點(diǎn)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(shí)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(diǎn)金屬,在573和673 K時(shí),因?yàn)闇囟认鄬?duì)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(shí),樣品表面開始氧化,并形成了一定厚度的氧化膜,這時(shí)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(zhǎng),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(shí),純鎢的表面光譜發(fā)射率受氧化因素的影響較大。
圖3所示為純鎢在相同加熱時(shí)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(shí)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(shí),鎢的光譜發(fā)射率開始增加,在波長(zhǎng)3~9 μm增幅較大,而在波長(zhǎng)9~20 μm增幅較小,當(dāng)溫度達(dá)到873 K時(shí),純鎢光譜發(fā)射率在整個(gè)波長(zhǎng)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(duì)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(shí)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(duì)純鎢光譜發(fā)射率的影響
圖3 溫度對(duì)純鎢光譜發(fā)射率的影響
圖4為純鎢的光譜發(fā)射率在不同溫度下隨波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)變化的趨勢(shì)不同。在573和673 K,光譜發(fā)射率隨波長(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)明顯的波峰,這可能是由于輻射信號(hào)沿光路進(jìn)入探測(cè)器時(shí)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(shí),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(shí)的值,在9 μm附近出現(xiàn)了一個(gè)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(shí),純鎢的光譜發(fā)射率明顯大于773 K時(shí)的值,在實(shí)驗(yàn)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(shí),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(duì)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(zhǎng)對(duì)純鎢光譜發(fā)射率的影響
圖5為純鎢光譜發(fā)射率在5個(gè)特定波長(zhǎng)下隨加熱時(shí)間的變化。研究發(fā)現(xiàn),純鎢在573和673 K時(shí),光譜發(fā)射率隨著加熱時(shí)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(shí)間變化。當(dāng)純鎢加熱到773和873 K時(shí),隨著加熱時(shí)間的增加,其光譜發(fā)射率在5個(gè)特定波長(zhǎng)下逐步增加,只是在兩個(gè)溫度下增加的快慢不同。純鎢在773 K時(shí),光譜發(fā)射率隨加熱時(shí)間變化的比例關(guān)系近似一條直線,并且隨著波長(zhǎng)的增大直線斜率變小,這說明純鎢在較小波長(zhǎng)下其光譜發(fā)射率隨加熱時(shí)間的增加比較大波長(zhǎng)下增加的更快。純鎢在873 K時(shí),在5個(gè)特定波長(zhǎng)下光譜發(fā)射率的變化近似于773 K時(shí),只是其斜率值更小,并且隨著加熱時(shí)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(shí)間的增加,出現(xiàn)氧化膜并且厚度逐漸增加,這時(shí)光譜發(fā)射率以較快的速度增加,在873 K時(shí),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(shí),氧化時(shí)間對(duì)光譜發(fā)射率也有很大的影響,而且遵循一定的規(guī)律。
通過純鎢的光譜發(fā)射率的測(cè)量,分別研究了氧化,溫度,波長(zhǎng)和加熱時(shí)間對(duì)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(shí)非常穩(wěn)定,當(dāng)溫度增加至773和873 K時(shí),光譜發(fā)射率急劇增加,并且在幾個(gè)波長(zhǎng)位置觀察到了干涉現(xiàn)象。在所研究的波長(zhǎng)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(shí)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(gè)現(xiàn)象可以從以下幾個(gè)方面解釋: 當(dāng)溫度較低時(shí),純鎢表面未發(fā)生氧化,此時(shí)光譜發(fā)射率比較穩(wěn)定。當(dāng)溫度升高到773 K時(shí),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(shí)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(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)充分考慮光譜發(fā)射率變化對(duì)測(cè)溫、輻射熱傳輸計(jì)算等造成的影響。
圖5 加熱時(shí)間對(duì)純鎢光譜發(fā)射率的影響