固体材料高温基础辐射物性的实验测量与理论建模

As one of the intrinsic parameters of soild, dielectic function is the basic physical property of materials using in the field of thermal radiative transfer. The parameters, such as the emissivity of solid surface and the absorption coefficient of solid particulates, can be uniquely determined by the dielectric function and geometry of materials. Recently, the data of dielectric function of solid at high-temperature is very scarce. This now becomes a bottleneck limiting the analysis and study of thermal radiation processes. This project aims at the frontier research in thermal radiation, studies the general problems in the basic radiative properties of solid materials at high temperature, such as the experimental measurement of dielectric function, the dielectric function models and their modification due to temperature, and the first-principles simulation of dielectric function. The content of this project is as following: building up the test equipment of dielectric function of solid materials at high temperature, setting up a databank of dielectric function of solid materials at high temperature, analyzing the mechanism that affects the dielectric function, setting up the modified classical dielectric function models, their modification due to temperature, and the first-principles simulation methods. This project will provide the basic radiative properties and its effective simulation method of materials at high temperature for the research of thermal radiation.

介电函数是固体材料的本征属性，是真正意义上的热辐射传输基础物性参数。固体表面发射率和颗粒弥散介质吸收系数等辐射特性参数均可由材料的介电函数和结构形状唯一地确定。目前高温条件下固体材料介电函数数据极为缺乏，已成为制约热辐射过程分析研究的瓶颈问题。本课题瞄准本学科国际研究前沿，研究高温条件下固体材料介电函数的实验测量、固体材料介电函数模型及其温度修正方法、固体材料介电函数的第一性原理模拟方法等固体材料高温基础辐射物性研究中亟需解决的共性问题。组建高温光谱介电函数测试平台，通过大量实验测量建立高温固体材料介电函数数据库；分析固体材料介电函数内在的主要影响机制，建立能涵盖较宽温度范围的材料经典介电函数修正模型；研究第一性原理模拟过程中系统温度的建入和修正方法，发展高温固体材料介电函数的第一性原理模拟方法，为热辐射传递的理论和应用研究提供必要的高温基础辐射物性数据及其有效的模拟方法。

介电函数是热辐射传输的基础物性参数。目前高温条件下固体材料介电函数数据极为缺乏，已成为制约热辐射过程分析研究的瓶颈问题。本课题主要研究了高温条件下固体材料介电函数的实验测量方法、介电函数模型及其温度修正方法、介电函数的第一性原理模拟方法等高温基础辐射物性研究中亟需解决的共性问题。. 项目研究获得以下主要成果：. 组建了测量光谱范围为0.2μm至30μm的固体材料高温介电函数测试平台，并完成测试平台的实验标定；提出了一种基于电磁散射第一性原理的粗糙表面样品光学常数椭偏反演方法，显著提高了粗糙表面光学常数的椭偏测量/反演的精度。. 提出了一种高透过率材料介电函数测量的新方法，该方法克服了传统椭偏法和透射法的不足，可以消除多值性，同时显著提高了高透过率材料光学常数虚部测量的精度；为光学窗口的设计和材料选择提供基础数据支撑。. 发展了一种改进的小粒子辐射特性测量方法，该方法的测量误差明显小于传统方法；测量了多种能源微藻的辐射特性，建立描述生长期微藻辐射特性随时间变化的理论模型。. 构建了第一性原理模拟过程中系统温度的建立和修正方法，发展了固体材料高温介电函数的第一性原理分子动力学模拟方法；分析了激子效应的影响，实现了对高温半导体材料、金属及其氧化物等固体材料介电函数的定量预测。. 从电声耦合效应及其模拟入手，发展了一种经典介电函数模型的第一性原理模拟参数化方法；以Drude模型为基础对贵金属和过渡金属的高温介电函数模型参数进行了模拟，经与实验对比验证了第一性原理模拟参数化方法的可行性。. 发展了耦合电磁偶极矩的多体辐射换热计算方法，系统分析了颗粒复杂形貌、颗粒非均质、颗粒团聚等因素对粒子辐射特性的影响规律，为颗粒系介质近场辐射能量传输的计算奠定了基础。. 本项目目前已发表研究论文59篇，其中国际期刊43篇，国际会议11篇，国内刊物5篇。培养毕业博士研究生7名。申请发明专利7项，已授权5项。