热辐射：自然对流解决方案的关键要素

热辐射与热对流、热传导并列为三种传热方式。对热辐射了解越充分，就越能高效利用它来优化热管理方案。

什么是热辐射？

热辐射指从某一物体体积的表面向外逸出的电磁波。给定物体内部的所有分子都会产生辐射，但内部分子通常会吸收周边其他分子发出的辐射。只有表面分子向外辐射热量时，热能才会离开该物体。

因此在热管理中，我们非常关注散热器和散热解决方案的表面状态。热辐射属于电磁波谱的一部分，波长范围为 0.1 μm 到 100 μm。其中包括紫外线辐射的长波段、可见光和红外辐射。物体被称作红热或者白热状态时，就是物体表面发出可见光波段的热辐射。

Eaton radiation heat transfer illustration

黑体与发射率

温度高于绝对零度的所有表面都会发射并吸收热量。普朗克定律指出，任意给定温度下，都存在一个理想表面，能够最大限度吸收和发射热辐射。我们将该理想表面称为黑体。

黑体最值得关注的就是它理想的热发射能力，也就是发射率。根据基尔霍夫热辐射定律，没有任何物体的发射能力能够超过黑体，因此规定黑体的发射率数值为 1。其余所有表面的热发射量均低于黑体，所以表面的发射率定义为该表面与同温度黑体的热发射量之比。表面的热辐射发射能力越强，发射率就越趋近于 1。在热管理中，我们通常希望外表面具有更高的发射率，以便尽可能将热量从系统中辐射出去。

表面处理和材料对发射率的影响

发射率主要由材料成分和表面处理质量决定。金属表面的发射率普遍较低，散热器常用的铜和铝亦是如此。尽管这类金属因热导率高而被广泛选用，但从热辐射发射角度看，它们表现较差。原因在于这类材料反射能力很强，不仅对可见光，对所有波段电磁波均具备高反射特性。由于材料本身的高反光特性，内部分子产生的热辐射很容易被表面分子反射回物体内部。

表面越粗糙，热辐射发射能力越好。粗糙表面不容易将热辐射反射回物体内部。因此，金属属性越弱、表面哑光程度越高的材料，表面发射率越高。

热管理：辐射的应用

在热管理中，我们通常会在自然对流方案或不主动推动流体通过系统的方案中优化辐射。您会看到许多自然对流方案采用阳极氧化或涂层表面，但在强制对流冷却方案中，则更多使用未做表面处理的铝件和铜件。这是因为，与高效对流带来的传热相比，热辐射的作用相对较小。在一些应用中，设备必须在真空环境下进行冷却，此时辐射是冷却热源的唯一选择。

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