熱輻射透射比檢測:原理、方法與應用
在建筑節能、材料科學、光學器件等領域,精確掌握材料對熱輻射(主要是近紅外波段)的透過能力至關重要。熱輻射透射比(Thermal Infrared Transmittance, TIR)檢測正是評估這一性能的核心手段。
一、 核心概念:熱輻射透射比
- 定義: 熱輻射透射比(TIR)指特定波長的熱輻射(通常指780nm至2500nm的近紅外波段,該波段攜帶大部分太陽輻射熱能)垂直入射到材料上時,透射出的輻射通量與入射輻射通量之比。它是一個無量綱數值,范圍在0(完全不透過)到1(完全透過)之間。
- 物理意義: TIR 直觀反映了材料允許熱輻射穿透的能力。高TIR意味著材料對太陽熱輻射的阻隔能力弱,反之則強。
- 與可見光透射比(VLT)的區別: TIR 主要關注人眼不可見的近紅外熱輻射,而可見光透射比(VLT)則評價材料對380-780nm可見光波段的透過性。兩者是評價玻璃、薄膜等材料光學熱工性能的獨立指標。例如,節能玻璃通常追求高VLT(保證采光)和低TIR(阻隔熱量)。
二、 檢測原理
熱輻射透射比檢測的核心原理基于分光光度法:
- 光源: 使用能穩定發射寬光譜(覆蓋紫外、可見、近紅外)的光源。
- 分光: 光源發出的復合光經過單色儀或光柵等分光器件,被分離成單一波長的單色光。
- 入射: 單色光垂直入射到待測樣品表面。
- 探測: 探測器位于樣品后方,精確測量透過樣品的單色光輻射通量(Φ<sub>λ, trans</sub>)。
- 參比: 在相同條件下(不放置樣品),測量入射的單色光輻射通量(Φ<sub>λ, inc</sub>)。
- 計算: 在特定波長λ下,透射比 τ(λ) = Φ<sub>λ, trans</sub> / Φ<sub>λ, inc</sub>。熱輻射透射比(TIR)通常指在近紅外波段(如780-2500nm)內,依據相關標準(如ISO 9050, GB/T 2680)規定的太陽輻射光譜權重函數加權平均計算得到的值。
三、 標準檢測方法與流程
檢測需依據國家或國際標準(如GB/T 2680《建筑玻璃 可見光透射比、太陽光直接透射比、太陽能總透射比、紫外線透射比及有關窗玻璃參數的測定》,ISO 9050《建筑玻璃 光透射比、太陽光直接透射比、太陽能總透射比和紫外透射比及有關窗玻璃參數的測定》)進行:
- 樣品制備:
- 選取具有代表性的材料樣品(如玻璃原片、貼膜玻璃、鍍膜玻璃、光學薄膜等)。
- 清潔樣品表面至無灰塵、油污、指紋等污染物。
- 按標準要求切割成規定尺寸,確保邊緣平整。
- 若樣品為夾層或中空結構,需按標準規定的方法制備或測試。
- 儀器校準:
- 使用標準參比樣品(如已知透射比的熔融石英片)對分光光度計進行校準,確保波長精度和光度精度符合標準要求。
- 校準基線(100%線):在無樣品狀態下掃描整個測量光譜范圍。
- 光譜透射比測量:
- 將待測樣品穩固置于樣品室內光路中。
- 設置儀器參數(掃描波長范圍:通常300-2500nm;波長間隔;掃描速度等)。
- 啟動掃描,儀器自動記錄樣品在各波長點下的透射比 τ(λ) 光譜曲線。
- 熱輻射透射比(TIR)計算:
- 依據標準規定的太陽輻射光譜權重函數(通常采用標準太陽光譜輻照度分布,如ISO 9845-1中的AM1.5G)。
- 在規定的近紅外波長范圍(如780nm至2500nm)內,對測得的τ(λ) 按標準太陽光譜進行加權積分平均:
TIR = ∫[τ(λ) * S(λ) * dλ] / ∫[S(λ) * dλ] (積分區間:λ_min ~ λ_max)
其中,S(λ) 是標準太陽光譜輻照度。
- 結果報告: 報告測得的TIR值,通常保留小數點后兩位。同時說明依據的標準、測試條件(如溫度、相對濕度)、儀器型號(注意:此處僅描述功能,不涉及品牌)、樣品描述等必要信息。
四、 影響檢測結果的關鍵因素
- 樣品狀態: 表面的清潔度、平整度、是否存在劃痕或瑕疵直接影響光的散射和吸收。
- 膜層特性: 對于鍍膜樣品(如Low-E玻璃),膜層的均勻性、厚度、成分及老化狀態顯著影響其近紅外透射性能。
- 入射角: 標準檢測要求垂直入射(0°)。非垂直入射時,透射比會發生變化。
- 儀器精度: 分光光度計的波長精度、光度線性度、雜散光水平、探測器靈敏度等直接影響測量準確性。
- 環境因素: 實驗室溫度、濕度需保持穩定,避免因樣品熱脹冷縮或水汽吸附影響光學性能。
- 標準選擇: 不同標準可能采用不同的太陽光譜權重函數或積分范圍,計算結果會略有差異。
五、 主要應用領域
- 建筑節能:
- 門窗幕墻玻璃: 評估節能玻璃(如Low-E玻璃、陽光控制鍍膜玻璃、真空玻璃)的隔熱性能。低TIR意味著更少的太陽熱能進入室內,降低空調能耗。
- 建筑薄膜: 評價建筑玻璃貼膜(隔熱膜、安全膜)對太陽熱輻射的阻隔效果。
- 計算關鍵參數: TIR是計算太陽能總透射比(Solar Heat Gain Coefficient, SHGC 或 g-value)和太陽光直接透射比的關鍵輸入值,這些參數是建筑能耗模擬和節能設計的重要依據。
- 汽車工業:
- 車窗玻璃: 評估汽車玻璃(尤其是前擋風玻璃和側窗)的隔熱性能,影響車內舒適度和空調負荷。
- 光學與光電子:
- 光學濾光片: 設計和評價用于分離或阻隔特定紅外波段的光學濾光片。
- 光電探測器窗口: 評估保護窗口材料對工作波段(可能包含近紅外)的透過性。
- 顯示器件: 評價顯示面板保護蓋板或光學膜的紅外透過特性。
- 農業與溫室: 評價農用薄膜、溫室覆蓋材料對太陽輻射(尤其是熱輻射)的透射能力,影響棚內溫度調控。
- 材料研發: 新型節能材料、光學薄膜、納米材料等在開發過程中,需要精確測量其熱輻射透射特性以優化性能。
六、 技術發展與展望
- 高精度儀器: 分光光度計技術不斷發展,測量精度、穩定性、速度、光譜范圍(向中遠紅外拓展)持續提升。
- 原位/在線檢測: 探索在生產線或實際應用場景中進行快速、非破壞性TIR檢測的技術。
- 復雜樣品處理: 對于曲面玻璃、多層復合結構、智能調光玻璃等復雜樣品,開發更精確的測量模型和修正方法。
- 多參數集成檢測: 開發能同時、快速測量TIR、VLT、反射比、發射率、顏色參數等的綜合檢測平臺。
- 標準更新: 隨著材料技術和測試技術的發展,相關國際和國家標準會持續更新,以更科學地反映材料的實際使用性能。
總結:
熱輻射透射比(TIR)檢測是現代光學檢測技術的重要組成部分,為科學評價材料對太陽熱輻射的透過性能提供了客觀、定量的依據。其嚴格遵循標準化的檢測流程與方法,確保了結果的可靠性和可比性。在推動建筑節能降耗、提升光學器件性能、促進新材料研發等諸多領域,TIR檢測都發揮著不可或缺的關鍵作用。隨著技術進步和應用需求的深入,這一檢測技術將持續發展和完善,為相關產業提供更強大的技術支撐。
要點回顧:
- 定義清晰: TIR衡量材料透過近紅外熱輻射的能力(0-1)。
- 核心原理: 基于分光光度法,測量特定波長光透過樣品前后的能量比。
- 標準流程: 樣品制備、儀器校準、光譜掃描、加權積分計算TIR。
- 關鍵應用: 建筑玻璃節能評估(如Low-E玻璃)、汽車隔熱、光學濾光片性能、農業溫室材料選型。
- 重要價值: TIR是計算太陽能總透射比(SHGC)等建筑節能核心參數的基礎,直接影響建筑能耗與室內環境舒適度。