0 前言
太阳能是地球上大多数生物赖以生存的必要条件，但强烈的太阳辐射也给工业生产和人们的生活带来很大影响，加剧了温室效应。为了消除强烈的太阳热辐射对物体的不利影响，降低能源消耗，20世纪70年代发明了太阳热反射涂料。经过几十年的发展，目前热反射涂料已成功地应用于航天、建筑、石化、军事、工业等领域，其显著的节能效果已得到业界的广泛认可。作为一种功能型材料，热反射涂料的节能效果需要由一些关键的热性能指标来加以表征，如何对其热性能进行测试、分析，进而对热反射涂料及涂装后的部品进行节能效果评价，在这种重要的节能型材料的科学研究、开发应用及未来发展过程中起着举足轻重的作用。根据热反射涂料的隔热机理，其主要的热性能指标有太阳反射比、半球发射率、阳光反射指数和隔热温差等。以下就几种热性能指标的概念及测试方法分别加以介绍。
1 太阳反射比(solar refl ectance)
太阳反射比是物体反射到半球空间的太阳辐射通量与入射在物体表面上的太阳辐射通量的比值，也称阳光反射比、阳光反射率。太阳反射比是评价热反射性能重要的技术指标，也是对热反射涂料进行节能计算时必须输入的热工参数之一。太阳反射比测试方法较多，以下是常用的几种：
1.1 光谱法
利用带积分球的紫外、可见、近红外分光光度计可以精确测量材料不同波长的反射比，根据太阳光在一定波长范围内的相对能量分布，通过加权平均计算材料在上述波长范围内的太阳反射比。根据测试原理，光谱法又可分为法和相对法。法是通过测试试样在波长为λi时的光谱反射比，按式（1）计算太阳反射比的值[1]：
式中，s为试样的太阳反射比；λi为波长λi时试样的光谱反射比；Es(λi)为波长λi处的太阳辐照度；Δλi为波长间隔；n为300～2 500 nm范围内测点数目，一般不少于50。
相对法则是测试试样在波长λi时相对于标准白板的光谱反射比，按公式（2）计算试样的太阳反射比[1]：
式中，0λi是波长为λi时标准白板的光谱反射比，bλi是波长为λi试样相对于标准白板的光谱反射比。标准白板通常为陶瓷板和Halon板，需要定期到计量部门检定。相对法是用分光光度计测量材料太阳反射比常用的方法。
国内现行热反射涂料标准中太阳反射比测试方法采用GJB2502《航天器热控涂层试验方法》，所引用的太阳光谱为航天工业标准QJ 1954《太阳电磁辐射》中的一个天文单位外的太阳光谱辐照度，与地面太阳辐射强度差异较大，因此选用近地面的太阳光谱更为合理，例如采用ISO 9845-1《太阳能—不同接收条件下近地面太阳光谱辐射—第1部分：空气质量1.5的直射及总太阳辐射》。
应用光谱法测定太阳反射比能够客观地反映材料对太阳光谱不同波段的反射特性，测试精度高、受环境影响小，是公认的研究热反射材料时理想的测试方法。但是由于紫外、可见、近红外分光光度计价格较为昂贵，国内大的测试机构和有实力的科研单位能够承受，其应用受到了一定的限制。
1.2 便携式仪器法
美国材料测试协会标准ASTM C1549规定了一种用便携式反射比测试仪测定材料常温下太阳反射比的方法[2]。
图1是符合ASTM C1549标准的反射比测试仪外观图。
图1 便携式反射比测试仪
该仪器由测量头、读数模块、校准装置（黑腔体、标准板）、可充电电池组等组成。测量头内的漫射钨卤素灯在10 s的测量周期内，照射一个平整的样品2 s。通过测量头内的4个探测器测量入射角为20°的辐射反射。每一个探测器配备滤光装置，使得它能与太阳光光谱的特定波段产生电子感应。这些电子感应经过读数模块处理后可得出不同空气质量（Air Mass 0、1、1.5、2.0）时的太阳光反射比。仪器采用黑色腔体来校零，使用制造商提供的已知反射比的标准板进行校准。被测表面紧贴在仪器测量头的开口处，保持位置不变，读数模块即可显示恒定的反射比值。
该方法具有以下特点：
（1）测量精度较高，数显分辨率为0.001。笔者曾分别用分光光度计和便携式反射比测试仪对多个不同反射比的热反射涂料进行了比对测试，部分结果见表1。
表1 便携式反射比测试仪与分光光度计测试结果比
通过表1可以看出，ASTMC1549方法与积分法测试结果非常接近，可信度高。
该仪器不仅可以在实验室对样品的反射比进行测量，借助太阳能电池，还可以在户外对建筑墙面、屋面、地面等表面的太阳反射比进行现场测量。另外，通过采取一些特殊的校准方法，该仪器能够测试柱面的太阳反射比，因此，可用于诸如热反射屋面瓦、异型的热反射金属板等材料的太阳反射比测试。
通过读数模块上的按键，可以对测量的太阳辐射光谱进行选择，空气质量可以是0、1、1.5和2，可以是直射辐射，也可以是总辐射。测量头中的红外探测器可以对太阳光谱中的近红外波段产生感应，从而测量材料的近红外反射比，而近红外反射比的测试分析是彩色热反射涂料研究必不可少的条件之一。美国能源之星Energy Star认证、ASHREA 90.1建筑节能标准及CRRC冷屋面评级等均将ASTMC1549规定为材料太阳反射比测试的标准方法之一。该测试方法快速、准确，且仪器的价格相对低廉。ASTMC1549已经被即将颁布的化工行业标准《金属表面用热反射涂料》和建工行业标准《金属表面用防水涂料》所采用。
为了评估材料表面对实际太阳辐射的反射能力，ASTM编制了E1918标准方法，该方法是用精密日射强度计(PSP)，在现场测量水平或低坡度（小于9.5º）表面的太阳反射比[3]。日射强度计应能对0.28～2.8 μm波段辐射能反应敏感，输出装置能够产生一组精度为±0.5%、范围0～1 400 W/m2的线性输出，以及以秒为单位的响应时间。日射强度计的装配见图2。
将精密日射强度计固定在支架的机械臂端头，交替朝向天空和朝向被测表面（图示为PSP朝向被测表面），通过输出设备读取太阳辐照强度和被表面反射回大气层的辐照强度，被测表面的太阳反射比即为反射辐照度与入射辐照度的比值。测试应满足太阳光的入射角小于45°。对于水平的或低坡度的表面，测试时间要限制在Am9:00～Pm3:00；冬季太阳角度比较小，测试的时间段可以选在Am10:00～Pm2:00。这种方法简单直观，能够实时监测表面对太阳辐射反射的变化情况，反映了材料对实际太阳辐射的反射能力。缺点是易受环境因素制约，多云和薄雾天气严重影响测量工作。因此测试期间天气应该晴朗、无云、无雾霾。
半球发射率是指一个辐射源在半球方向上的辐射出射度与具有同一温度的黑体辐射源的辐射出射度的比值，有时也称红外辐射率。半球发射率表示材料将吸收的热量以红外辐射的形式发射到空气中的能力，较高的发射率也是热反射涂料功能性的另一种体现。半球发射率的测试方法较多，根据不同的测量原理，发射率测量方法可分为量热法、反射率法、能量法和多波长测量法[4]。其中能量法的原理是直接测量样品的辐射功率，根据普朗克或斯忒潘-玻耳兹曼定律和发射率定义计算出样品表面的发射率值。GJB2502.3《航天器热控涂层试验方法第3部分：发射率测试》中的辐射计法和ASTM C1371Standard Test Method forDetermination of Emittance of Materials Near RoomTemperature Using Portable Emissometers即为能量法的一种，是常温下用辐射计测量材料半球发射率的方法。其原理是辐射计探测器的输出信号与被测试样的发射率呈线性关系，通过比较高、低发射率标准板与被测试样输出信号的大小，得出被测试样的发射率[5-6]。图3是某种辐射计的示意图。
装置由差热电堆式辐射能探测器、连接缆线、读数装置、标准板和散热槽构成。探测器内差热电堆由高发射率和低发射率元件构成，这两个元件能够产生与温差成比例关系的输出电压，而温差是由每个元件发射和吸收热能的不同产生的，电压输出与探头所面对的测试面发射率成比例关系。探测器同时内置可控加热器，可保证测量头温度高于样品温度或标准板温度。读数装置通常是一个数显毫伏计，通过对热堆输出信号处理，直接显示发射率读数。缆线连接探测器和读数装置。标准板通常是两块，一块是低发射率（0.05左右）的不锈钢标准板，另一块是高发射率（0.90左右）的黑色标准板。散热槽也叫热沉，作用是使标准板与测试样板的温度保持一致。测试时将高、低发射率标准板放在散热槽上，探测器分别放在标准板上，通过微调读数装置使之显示的数值与标准板的发射率值一致；然后将被测试样置于散热槽上，探测器放到被测试样表面待读数稳定，所得读数即为样品的发射率值。
热反射涂料的隔热性能主要由太阳反射比和半球发射率决定，反射隔热和辐射散热的共同作用体现了热反射材料的综合隔热效果。为了评价太阳反射比和半球发射率对热反射材料隔热性能的共同影响作用，人们提出了“阳光反射指数”的概念。所谓的“阳光反射指数SRI”（Solar ReflectanceIndex）是指在标准大气环境与太阳辐照下，材料表面稳态温度与标准黑板（SRI=0，太阳反射比0.05，半球发射率0.9）和标准白板（SRI = 100，太阳光反射比为0.80，半球发射率为0.9）表面温度的相关性[7]。阳光反射指数可以衡量某种材料（表面）在阳光直射下保持低温的能力，SRI越高，那么这种材料在阳光直射下的温度就越低。
