基于红外辐射的铝表面粗糙度非接触式检测方法研究

推荐：本研究针对工业环境中金属表面粗糙度检测难题，创新性地提出通过红外热成像技术（3-5μm波段）间接测量铝材表面粗糙度（Ra 0.283-2.56μm）。研究人员开发了Method I/II两种检测方法，证实辐射亮度与粗糙度存在显著相关性（R2值验证），为高危环境下的表面质量监控提供了新方案。

　　

在工业制造领域，金属表面粗糙度的精确检测一直是质量控制的关键环节。传统接触式轮廓仪虽广泛应用，却存在损伤样品、难以适应高危环境等局限。尤其当面对放射性污染或生物危害场景时，近距离接触检测几乎成为不可能的任务。这一现实困境催生了非接触检测技术的快速发展，其中基于光学原理的检测方法尤为引人注目。

巴西里约热内卢州立大学（Universidade do Estado do Rio de Janeiro）的研究团队另辟蹊径，将目光投向红外热成像这一新兴技术。他们敏锐地注意到，虽然前人研究多聚焦于表面粗糙度对发射率（emissivity）的影响，但直接测量辐射亮度（radiance）可能成为更简便有效的解决方案。这项发表在《Materials Today Communications》的研究，通过系统分析不同粗糙度铝样品在12-34°C温度区间的红外辐射特征，成功建立了表面粗糙度与3-5μm波段辐射亮度的定量关系。

研究团队采用了两大关键技术：首先是多尺度表面制备技术，通过分级砂纸（40-2500目）手工打磨获得R_a值0.283-2.56μm的系列样品，结合共聚焦显微镜（confocal microscope）和扫描电镜（SEM）进行形貌验证；其次是双模式红外检测系统，分别采用Method I（固定环境温度）和Method II（变温补偿）在FLIR A655sc热像仪下获取辐射数据。所有样品均通过EDS能谱分析确保成分一致性，并在温控平台上实现±0.1°C的稳定状态。

【表面粗糙度分析】
研究严格遵循DIN 4768标准，选用算术平均粗糙度R_a作为核心参数。通过三维形貌重建发现，不同打磨工艺产生的表面特征差异显著：低粗糙度样品（R_a<0.5μm）呈现规则沟槽，而高粗糙度样品（R_a>2μm）则形成复杂的多级微结构。这种形貌差异为后续辐射特性研究奠定了物质基础。

【样本制备】
直径25.50±0.02mm的商用铝圆柱体经过特殊设计，侧面6mm处预置热电偶孔。研究创新性地采用单向-旋转交替打磨工艺，既保证了粗糙度梯度（0.283±0.006μm至2.56±0.03μm），又避免了传统交叉打磨导致的各向异性问题。能谱分析确认所有样品氧化层厚度<50nm，排除了氧化干扰因素。

【结果与讨论】
在23°C环境温度下，Method I检测显示辐射亮度与R_a呈显著正相关（R²=0.92）。温度升高至34°C时，灵敏度提升30%，尤其对R_a<1μm样品区分度更佳。Method II在高温区间表现相当，但在12°C低温检测时误差增大15%。研究首次发现：当T≥23°C时，3.8-4.2μm波段的辐射强度变化率（dL/dR_a）与粗糙度呈线性关系，这一特征可作为定量检测的依据。

【结论】
该研究开创性地证实了红外辐射亮度作为表面粗糙度检测指标的可行性。Method I在整体温度区间表现稳定，特别适合常温以下检测；Method II则在高温场景更具优势。这一技术突破为航空航天、核电设施等特殊场景的金属表面在线监测提供了新思路。研究还揭示了微米级表面形貌与中红外辐射的耦合机制，为发展非接触式工业检测装备奠定了理论基础。

由R.A.R. de Campos领衔的研究团队在文末特别指出，该方法可拓展至其他金属材料的表面缺陷检测，未来通过优化传感器阵列和算法，有望实现亚微米级分辨率的远程监测系统。这项获得巴西国家科技发展委员会（CNPq）等机构资助的研究，标志着工业检测领域向智能化、非接触化迈出了重要一步。