辐照条件下涂层材料的辐射光谱及温度分析(2)
在自然界及生产生活中，很多物质及产品处于颗粒状态。粒子的发射、散射及吸收在很多生产生活环境中有着非常重要的作用。由于实际粒子性质与形状复杂性，本文假设所研究涂层粒子为球形。其中单个颗粒的辐射问题可以归结于一束平面电磁波投射到一给定尺寸、形状以及光学常数的粒子的Maxwell 方程的解[2]。在生产生活过程中，我们遇到的大多不是单个粒子，而是由多个粒子组成的粒子系。粒子系中颗粒间的作用对我们的理论研究是不可小觑的。一方面是由于颗粒间辐射场会相互干扰；另一方面粒子与粒子之间，其辐射会彼此散射和吸收。粒子系的辐射特性与颗粒及其周围介质的属性有着密不可分的关系，其中颗粒的大小、浓度等参数都会影响粒子系的吸收和散射特性，从而导致空间内温度分布、空间与外界辐射换热量的变化。在很多情况下，在浓度比较小的粒子系里，单个粒子的辐射特性不受邻近粒子的影响。因此，对于整个粒子系的辐射特性可看成是所有单个颗粒辐射特性的叠加[2]。而通过时域有限差分（FDTD）方法，我们可以得到球形颗粒的衰减、散射以及吸收等特性参数。为了提高太阳能反射率的比较普遍的方法是使用白色涂层材料如二氧化钛（TiO2） 。由于其很高的反射率，
TiO2是最广泛使用的白色涂层材料。 广泛用于制作冷涂料涂层的典型的TiO2颗粒平均粒径为 200nm，这些颗粒产生高的可见反射率。本文通过时域有限差分（FDTD）方法，通过计算颗粒（TiO2）涂层的反射率，吸收率，透射率，对辐照条件下涂层材料的辐射光谱和温度进行模拟计算，并且分析影响涂层材料光谱及温度的各因素及其影响规律。1.2 国内外研究现状及分析1.2.1 国外研究现状为了在一个较低的膜厚度和颜料体积浓度中达到最大的太阳反射率，Johnson等人[3]优化了分布在用于航天器的热控涂层（TCC）的氧化锌颜料粒径。此外，Vargas[4]通过关注的粒子系的辐射特性和二氧化钛涂层的反射， 从而进行颗粒直径和体积分数的优化。 Levinson 等人[5]通过研究不同屋面材料的强、中、弱的近红外后向散射能力及其对太阳能反射率的影响，描述了一个太阳能反射有色表面的方法，并且应用于各种住宅屋面材料中。Brady 等人[6]对有机涂层的工作原理和材料进行了专门的红外特性研究。他们研究了不同类型的颜料,源^自(优尔:文,论)文]网[www.youerw.com，如二氧化钛，氧化铬，氧化铁和二氧化硅。根据确定的颜料太阳光谱吸收系数，Levinson 等研究了一种高反射率的冷色涂层材料的适用性[7]。1.2.2 国内研究现状江晴、卢显强[8]等人用 TiO2、聚氨醋和高色素炭黑配制成海灰色热反射涂料，该涂料能反射 35%以上的可见光和 80%以上的近红外热辐射。杨明璐，佛迎高[9]采用以丙烯酸乳液为主的复合型成膜物质，以金红石型二氧化钛为主要反射体制备了热反射防水涂料。战为民[10]等研制了光热反射涂层材料，并对树脂类型和配套体系对红外反射率的影响以及深色颜料的筛选进行了研究。郭年华[11]研制了聚氨醋改性氯丙树脂太阳热反射涂料，简述了涂料的原材料的选择原理及配方和产品的性能指标，认为涂料的热反射率与面涂所用的基料、颜填料的折光指数、颜填料的粒径、纯度、膜厚及 PVC 值均有很大的关系。王金台[12]采用正交试验法研究了太阳热反射隔热涂料的工作原理，确定了涂料的各种功能性填料及体系的PVC 值。1.3 本文研究内容本文针对国内外学者对于颗粒涂层辐射特性的基础理论研究现状，基于电磁理论和辐射换热理论，采用时域有限差分（FDTD）方法，从散射能量的空间分布和吸收散射能量占入射能量的比例两个方面入手，通过计算颗粒涂层的吸收率，反射率和透射率，研究分析各变量对其辐射特性的影响，并且研究分析辐照条件下含颗粒涂层的温度分布。具体的研究内容包括以下几部分:（1）查找文献资料，得到 300nm—2500nm 入射光波段含颗粒涂层光谱分析需要的复折射率；确定时域有限差分方法中用于研究光谱分析与温度分析的光源设定以及吸收边界条件；（2）简化并建立含颗粒涂层的几何模型，通过时域有限差分方法计算含颗粒涂层在300nm—2500nm 入射光波段的光谱强度分析和吸收率， 反射率及透射率， 得到涂层颗粒粒径、涂层颗粒浓度、涂层颗粒材料、涂层介质特性和平面波光源极化角度对其光谱分布变化规律；（3）分别建立含颗粒涂层的温度分析模型，研究在辐照条件下含颗粒涂层的温度分布情况。
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