新型功能材料論文

1、新型功能材料紅外材料的性能及應(yīng)用前景 作者： 摘要：紅外輻射位于電磁波譜的中央，其波長(zhǎng)覆蓋四個(gè)數(shù)量級(jí)。在整個(gè)電磁波譜中，不管是哪一個(gè)波段，其傳播速度都是光速c，波長(zhǎng)為(厘米)，每秒振動(dòng)數(shù)稱為頻率(秒-1)。 1. 紅外輻射材料理論上，在0k以上時(shí)，任何物體均可輻射紅外線，故紅外線是一種熱輻射，有時(shí)也叫熱紅外。但工程上，紅外輻射材料只指能吸收熱物體輻射而發(fā)射大量紅外線的材料。紅外輻射材料可分為熱型、“發(fā)光”型和熱“發(fā)光”混合型三類。紅外加熱技術(shù)主要采用熱型紅外輻射材料。（1）紅外材料的特性紅外輻射材料的輻射特性決定于材料的溫度和發(fā)射率。而發(fā)射率是紅外輻射材料的重要特征值，它是相對(duì)于熱平衡輻射體的

2、概念。熱平衡輻射體是指當(dāng)一個(gè)物體向周圍發(fā)射輻射時(shí)，同時(shí)也吸收周圍物體所發(fā)射的輻射能，當(dāng)物體與外界進(jìn)行能量交換慢到使物體在任何短時(shí)間內(nèi)仍保持確定溫度時(shí)，該過程可以看作是平衡的。 當(dāng)紅外輻射輻射到任何一種材料的表面上時(shí)，一部分能量被吸收，一部分能量被反射，還有一部分能量被透過。由于能量守恒，吸收率、反射率、透過率之間有如下關(guān)系 根據(jù)基爾霍夫定律，任何輻射體的輻射出射度和吸收率之比相同并恒等于同溫度下黑體的輻射出射度，且只和溫度有關(guān)，可得：式中e為發(fā)射率，也叫比輻射率。這說明影響材料反射、透射和輻射性能的有關(guān)因素必然會(huì)在其發(fā)射率的變化規(guī)律中反映出來。材料發(fā)出輻射是因組成材料的原子、分子或離子體系在不

3、同能量狀態(tài)間躍遷產(chǎn)生的。 這種發(fā)出的輻射在短波段主要與其電子的躍遷有關(guān)，在長(zhǎng)波段則與其晶格振動(dòng)特性有關(guān)。紅外加熱技術(shù)中的多數(shù)輻射材料，發(fā)出輻射的機(jī)制是由于分子轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)而伴隨著電偶矩的變化而產(chǎn)生的輻射。因此，組成材料的元素、化學(xué)鍵形式、晶體結(jié)構(gòu)以及晶體中存在缺陷等因素都將對(duì)材料的發(fā)射率發(fā)生影響(a) 材料本身結(jié)構(gòu)對(duì)其發(fā)射率的影響一般說金屬導(dǎo)電體的值較小，電介質(zhì)材料的值較高。存在這種差異的原因與構(gòu)成金屬和電介質(zhì)材料的帶電粒子及其運(yùn)動(dòng)性直接有關(guān)。帶電粒子的特性不同，材料的電性和發(fā)射紅外輻射的性能就不一樣，而這往往與材料的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。 例如：氧化鋁、氧化硅等電介質(zhì)材料屬于離子型晶體，它主要靠正、負(fù)

4、離子的靜電力結(jié)合在一起；碳化硅、硼化鋯、氮化鋯等材料屬于共價(jià)晶體，它們是靠?jī)蓚€(gè)原子各自貢獻(xiàn)自旋相反的電子，共同參與兩個(gè)原子的束縛作用；鋁等金屬晶體的結(jié)構(gòu)可以看作是正離子晶格內(nèi)自由電子把它們約束在一起。顯然，在晶格中存在雜質(zhì)、缺陷時(shí)，都會(huì)影響晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使材料的發(fā)射率發(fā)生變化。 (b) 材料的發(fā)射率隨輻射波長(zhǎng)的變化如前所述，多數(shù)紅外輻射材料，其發(fā)射紅外線的性能，在短波主要與電子在價(jià)帶至導(dǎo)帶間的躍遷有關(guān)；在長(zhǎng)波段主要與晶格振動(dòng)有關(guān)。晶格振動(dòng)頻率取決于晶體結(jié)構(gòu)、組成晶體的元素的原子量及化學(xué)鍵特性。 圖7.1-1 純sic的單色發(fā)射率與波長(zhǎng)的關(guān)系 圖7.1-1為600和1025情況下碳化硅的單色發(fā)

5、射率曲線。由圖可見，sic在12m附近有一個(gè)顯著的發(fā)射率特征帶，這是sic基態(tài)振動(dòng)的位置。(c) 原材料預(yù)處理工藝對(duì)發(fā)射率的影響同一種原材料因預(yù)處理工藝條件不同而有不同的發(fā)射串值。例如，經(jīng)700空氣氣氛處理與經(jīng)1400煤氣氣氛處理的氧化鈦的常溫發(fā)射率分別為0.81和0.86。 (d)發(fā)射率與溫度的關(guān)系 溫度影響材料的發(fā)射率。電介質(zhì)材料的發(fā)射率較金屬大的多，有些隨溫度升高而降低，有些隨溫度的升高而有復(fù)雜的變化。(e)發(fā)射率受材料表面狀態(tài)影響一般說來，材料表面愈粗糙，其發(fā)射率值愈大。據(jù)報(bào)道，鉻鎳鐵合金經(jīng)不同表面處理后，其發(fā)射率有大幅度的變化。電拋光、噴砂、電拋光后再氧化這三種方法使其在482時(shí)的發(fā)

6、射率分別為0.11、0.31、0.60。紅外線在金屬表面上的反射性能與紅外線波長(zhǎng)對(duì)表面不平整度的相對(duì)大小有關(guān)，與金屬表面上的化學(xué)特征(如油脂玷污、附有金屬氧化膜等)和物理特征(如氣體吸附、晶格缺陷及機(jī)械加工引起的表面結(jié)構(gòu)改變等)有關(guān)。(f)材料的體因素對(duì)發(fā)射率的影響 材料的體因素包括材料的厚度、填料的粒徑和含量等等。對(duì)某些材料，如紅外線透明材料或半透明的材料，其發(fā)射率值還與其體因素有關(guān)。原因是紅外線能量在傳播過程中材料的吸收所致。(g) 材料的發(fā)射率隨工作時(shí)間而變化 在工作條件下，由于與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生相互作用或其他物理化學(xué)變化，從而引起成分及結(jié)構(gòu)的變化，將使材料的發(fā)射率改變。(2) 紅外輻射材料

7、的應(yīng)用常用的發(fā)射率高的紅外輻射材料有石墨、氧化物、碳化物、氮化物以及硅化物等。 紅外輻射搪瓷、紅外輻射陶瓷以及紅外輻射涂料等是一般紅外輻射材料通常使用的形式。紅外輻射涂料由輻射材料的粉末與粘接劑等按適當(dāng)比例混合配制而成，通常涂敷在熱物體表面構(gòu)成紅外輻射體。紅外輻射材料在熱能利用方面可用作紅外加熱、耐火材料等。紅外加熱與干燥是指利用熱輻射體所發(fā)射出來的紅外線，照射到物體上并被吸收后轉(zhuǎn)換成熱(或同時(shí)伴隨其他非熱效應(yīng))，從而達(dá)到加熱、干燥的目的。如在機(jī)械和金屬領(lǐng)域用于機(jī)械設(shè)備的金屬部件、船舶的噴漆烘干，鑄型的干燥等；在化工領(lǐng)域用于熱塑性樹脂的干燥、玻璃和陶瓷的預(yù)熱和燒結(jié)等；在醫(yī)療領(lǐng)域用于促進(jìn)血液循環(huán)

8、和汗腺的分泌、外傷的治療等；在食品工業(yè)領(lǐng)域用于冷凍谷類捆包前的脫水、稻谷水果的烘干等等。高發(fā)射率紅外輻射涂層屬于不定形耐火材料中的一種，一般被涂于加熱爐的爐襯耐火磚或耐火纖維氈表面，也可涂于測(cè)溫套管、燒嘴磚等表面，將十分有利于熱能的利用。紅外輻射材料在軍事應(yīng)用方面 可用于紅外偽裝和紅外誘餌器。 紅外偽裝的最基本原理是降低和消除目標(biāo)和背景的輻射差別，以降低目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)和識(shí)別的可能性。近紅外偽裝涂層要求目標(biāo)與背景的光譜反射率盡可能接近；中、遠(yuǎn)紅外偽裝涂層則一般采用低發(fā)射率涂層材料，以彌補(bǔ)二者的溫度差異。紅外誘餌器作為對(duì)付紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的一種對(duì)抗手段，正受到重視。若采用固體熱紅外假目標(biāo)，在表面涂上高發(fā)射率涂層，則能提高