几种典型舰船涂料太阳反射率测试对比分析

　　杨光付1，2，张广智2，左禹1
　　
　　（1.北京化工大学，北京100029；2.海军装备技术研究所，北京102442）
　　
　　摘要：介绍了舰船涂料太阳反射率测试仪器及方法，测试了几种典型舰船涂料的太阳热反射率，并对测试结果进行了对比分析。
　　
　　关键词：舰船涂料；太阳反射率；热反射涂料
　　
　　1引言
　　
　　由于温度的原因而引起的辐射叫热辐射，热辐射发出的电磁波叫热射线。波长由短到长，电磁波可分为宇宙射线、γ射线、X射线、紫外线、热射线及无线电波，如图1所示。波长通常用μm度量。

　　图1电磁波辐射光谱

　　热射线主要包括可见光和红外线2部分。真空中，可见光的波长为0.38～0.78μm，红外线的波长为0.78～1000μm。红外线又可分为近红外、中红外和远红外3个区域，但也有仅分为近红外与远红外2区的。这几个区域的严格界限现在还没有统一的规定，不同的分类法有不同的数值。当太阳辐射进入大气层后，太阳光谱中的X射线及其它波长更短的辐射，因在电离层被氮、氧及其它大气分子强烈地吸收不能到达地表；大部分紫外线被臭氧所吸收。至于在可见光范围内的光谱能量的减弱，则主要是由于地球大气强烈散射所引起的；而近红外范围内的光谱能量的减弱，则主要是水汽对太阳辐射选择性吸收的结果。波长超过2.5μm的远红外辐射，在大气层上界的辐射强度就相当低，再加上CO2和H2O对它强烈地吸收，所以能到达地面的能量已是微乎其微了。因此，在到达地面的太阳辐射中，辐射能量的97％以上集中在0.2～3.0μm的波长范围内，其中：
　　
　　紫外区：＜0.38μm，约占7％；
　　
　　可见光区：0.38～0.78μm，约占47％；
　　
　　近红外线区：0.78～2.50μm，约占42％；
　　
　　远红外线区：＞2.50μm，约占4％。
　　
　　一般地，在地球上利用太阳能，仅需考虑波长为0.29～2.50μm的太阳辐射。

　　 　　2热反射涂层降温性能探讨
　　
　　2.1涂层对太阳辐射的吸收
　　
　　太阳辐射是一个近似黑体的辐射。地球大气层外边缘上与太阳射线相垂直的表面可以接受太阳辐照度1353W/m2。由于地球大气层的吸收、散射和反射作用，以及受地球绕太阳运行的位置、月球位置和气候因素的影响，实际到达地球表面的太阳能小于这个数字。在天气晴朗的情况下，在大气质量为1时，地球表面所能接受到的太阳辐射光谱分布，采用分段积分，得出太阳辐射的总能量Q=∫Exdλ。如果采用分光光度计测量出涂层的吸收比或反射比光谱曲线，采用分段积分，就可以得出涂层表面吸收太阳辐射的能量Q，即Q=∫αεExdλ。式中，α为吸收率，ε为发射率，Eλ为单色光太阳辐射密度。
　　
　　2.2热反射涂层的降温极限
　　
　　文献[1]假设涂料是涂在很大的甲板上或水平位置的平板上，在极限工作状态，即微风（约2m/s），天空温度为－10℃，环境温度为36℃，通过逼近法求得涂层表面与环境达到热平衡状态时，其理想的降温极限温度为23℃，进一步地计算得出，若灰色热反射涂料在近红外的反射率分别为50％、60％、70％，其降温极限温度分别为10℃、12℃、15℃。分析认为，在实际使用中，灰色热反射涂料的降温效果受到结构设计、环境因素等影响，实际效果将要小得多。
　　
　　3测试原理与样品
　　
　　3.1测试原理
　　
　　本方法是一种光谱反射率的绝对测试法。试样放置于积分球中心位置，通过测试试样在波长为λi时的光谱反射率，按式⑴和⑵计算得到试样的太阳反射率。
　　
　　式中：ρ──试样的太阳反射率，％；
　　
　　ρλi──波长为λi时试样的光谱反射率，％；
　　
　　Es（λi）──在波长λi处的太阳光谱辐照度（可从GB/T17683.1表1中查得），W/（m2·μm）；
　　
　　Δλi──波长间隔，μm；
　　
　　n──波长0.38～0.78μm范围内测试点数目，一般应不少于30点；波长0.78～2.50μm范围内测试点数目，一般应不少于50点。
　　
　　3.2测试仪器
　　
　　太阳辐射能量集中在可见光和近红外波段，因此可采用紫外/可见/近红外分光光度计测试涂层热反射率，目前国内有岛津公司的紫外可见近红外分光光度计UV-3600（波长范围：0.185～3.30μm）、紫外可见近红外分光光度计SolidSpec-3700（波长范围：0.16～3.30μm），PerkinElmer公司的Lambda650/850/950紫外/可见/近红外分光光度计（波长范围：0.175～3.300μm）等测试仪器。本次测试采用的是PerkinElmer公司的Lambda950紫外/可见/近红外分光光度计，测试间隔为0.05μm。
　　
　　3.3涂料样品
　　
　　本次测试收集了国内7种舰船热反射涂料，并选择了3种常规船壳漆以及国外某公司提供的有机硅改性醇酸热反射船壳漆进行对比测试，见表1。

　　表1舰船涂料太阳反射率测试样品

　　为方便测试标识，每种样品用英文字母统一编号。测试样板为铝板（40mm×40mm×10mm），采用喷涂方法制备涂层，涂层厚度为80μm左右，涂层表面平整、均匀，每种样品均有3块平行测试样板。

　　 　　4测试结果与分析
　　
　　4.1测试结果
　　
　　11种舰船涂料经测试后，得到光谱反射率测试数据，按照3.1测试原理计算太阳反射率，结果数据汇总于表2。

　　表2几种典型舰船涂料的太阳反射率%

　　4.2结果分析
　　
　　4.2.1涂层颜色与太阳反射率
　　
　　根据表2计算结果，在0.38～2.50μm可见光－近红外波长范围内，通过比较11种舰船涂料太阳反射率与涂层颜色的关系，可以看出深色涂层比浅色涂层的太阳反射率要低。因此，涂层颜色是影响太阳反射率的重要因素之一。在0.38～0.78μm可见光波长范围内，通过比较11种舰船涂料太阳反射率与涂层颜色的关系可以看出，G、I、J这3样品（深色）的太阳反射率均在10％以下，比其它样品（海灰色）的太阳反射率要低得多。因此，在可见光波段，涂层颜色是影响太阳反射率的决定因素。在0.78～2.50μm近红外波长范围内，通过比较G样品和其它样品可以发现，G样品的太阳反射率为43％，远远大于I、J样品（仅为6％），接近其它热反射样品。因此，在近红外波段，涂层颜色不是影响太阳反射率的决定因素。

　　 　　4.2.2太阳反射率比较分析
　　
　　根据表2计算结果，从编号A～F共6种海灰色舰船热反射涂料，在0.38～0.78μm可见光波长范围内，太阳反射率算术平均值为48％；在0.78～2.50μm近红外波长范围内，太阳反射率算术平均值为63％；在0.38～2.50μm可见光－近红外波长范围内，太阳反射率算术平均值为55％。通过比较J样品（常规海灰色舰船涂料）与6种海灰色舰船热反射涂料的太阳反射率平均值可以发现，在0.38～0.78μm可见光波长范围内，两者基本相当；在0.78～2.50μm近红外波长范围内，热反射涂料的太阳反射率具有比较明显的优势。通过比较H样品（国外舰船热反射涂料）与6种海灰色舰船热反射涂料的太阳反射率平均值可以发现，在0.38～0.78μm可见光波长范围内，国外产品比国内产品太阳反射率平均值要低得多；在0.78～2.50μm近红外波长范围内，国外产品与国内产品平均值相当。
　　
　　5结语
　　
　　通过对11种舰船涂料太阳反射率测试，在可见光、近红外0.38～2.50μm波长范围内，经分析得出如下结论：⑴太阳反射率高低与涂层颜色有直接关系。在可见光波段，涂层颜色是太阳反射率的决定因素；在近红外波段，涂层颜色不是太阳反射率的决定因素。⑵与常规船壳漆相比，舰船热反射涂料太阳反射率的优势主要集中在近红外波段，其总体反射率（可见光－近红外波段）尚可提高。⑶比较国内外同类产品，国外产品太阳反射率在可见光波段比国内常规船壳漆还要低，这是否有其它方面的因素，值得进一步探讨。