2025/8/22
发射率（ε）是材料表面热辐射的关键参数，在热物理、材料科学等领域至关重要。
区分半球发射率（εh）与法向发射率（εn）并掌握其测量方法是研究的基础。
一、发射率的基础定义
根据基尔霍夫热辐射定律，处于热力学平衡态的不透明物体，其对特定波长辐射的光谱吸收率(αλ)恒等于其同温度、同波长的光谱发射率(ελ)，即：αλ = ελ。发射率ε定义为物体实际表面在给定温度T、波长λ下的辐射出射度与同温度、同波长下理想黑体辐射出射度之比，取值范围在0到1之间：
ε=1: 理想黑体辐射体 (理论极限)。
ε=0: 理想反射体，无热辐射发射能力 (理论极限)。
实际材料：0 <ε< 1。导电性良好的金属，由于自由电子对电磁波的强反射作用，在红外波段ε普遍较低 (<0.1)；而表面粗糙、具有金属氧化物或特定涂层的材料ε通常较高 (>0.6)。
二、关键区分：半球发射率vs法向发射率
这两者描述了材料热辐射发射能力在不同空间尺度上的特性。
1.法向发射率
（1）定义：指物体在与表面法线方向（θ=0°）的小立体角内，其辐射强度与同温度下黑体在相同方向辐射强度的比值。它仅表征材料在特定观测角度下的单方向辐射特性。
（2）测量方法
·反射率法：通过积分球反射计或激光偏振法测量反射率，结合基尔霍夫定律间接计算发射率。
·标准黑体比较法：如CAS115标准中，将样品与同温度黑体的辐射亮度对比，计算8\~15μm波段的法向发射率。
（3）特点与局限
·相对易于测量。许多基于辐射测温原理的仪器可直接获取此值。
·仅代表局部方向信息。对于非朗伯体（即非理想漫射表），εn无法代表材料整体的辐射散热能力。忽略方向分布特性使用εn进行全空间能量计算，将引入显著误差。
2.半球发射率
（1）定义：指在物体表面整个上半球空间 (以法线为中心，2π立体角) 内，所有方向上的光谱辐射出射度对立体角的积分平均值。它代表材料表面从整个半球空间实际发射出的总辐射能量，是单位时间、单位面积辐射的总能量与同温度黑体总辐射能量的比值。
（2）测量方法
·积分球法： 利用积分球收集所有方向的辐射能量，结合光谱仪测量后积分计算。
·热流计法： 通过热平衡方程推导材料表面热流与温度的关联，计算半球发射率。
·专用设备： 如美国D&S生产的AE1/RD1半球发射率测量仪，通过探测样品表面辐射能量直接计算发射率。
三、区别总结
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特性 |
法向发射率 (εn) |
半球发射率 (εh) |
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定义域 |
表面法线方向 (θ=0°) |
整个上半球空间 (2π立体角方向积分平均值) |
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物理意义 |
表面在特定方向上的辐射强度特征 |
表面在半球空间内的总辐射发射能力表征 |
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测量难度 |
相对较低(单方向测量) |
较高(需要收集或积分整个半球空间辐射) |
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适用性 |
有限。仅对朗伯表面近似有效；用于非朗伯表面或计算总能量误差显著 |
普适且必需。为辐射换热分析与热设计的核心输入参数 |
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数值差异 |
镜面反射材料 (抛光金属等)：εn << εh |
漫反射材料 (粗糙表面、氧化层)：εn ≈ εh(较理想漫射近似) |
搞热相关的朋友，发射率这个参数是基础中的基础，但千万分清半球εh (工程金标准)和法向εn ！
定向辐射测量宜用 εn：例红外测温标定、特定视角遥感。
整体辐射评估必用 εh：例热设计、能量平衡、传热模拟。
热辐射的本质是材料表面向整个半球空间发射能量。想快速、准确、直接地测量真正的半球发射率εh，尤其是实验室日常测试。目前，AE1/RD1便携式发射率测量仪是目前非常值得信赖的选择。
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