新型功能材料論文

1、新型功能材料紅外材料的性能及應用前景 作者： 摘要：紅外輻射位于電磁波譜的中央，其波長覆蓋四個數(shù)量級。在整個電磁波譜中，不管是哪一個波段，其傳播速度都是光速c，波長為(厘米)，每秒振動數(shù)稱為頻率(秒-1)。 1. 紅外輻射材料理論上，在0k以上時，任何物體均可輻射紅外線，故紅外線是一種熱輻射，有時也叫熱紅外。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，它是相對于熱平衡輻射體的

2、概念。熱平衡輻射體是指當一個物體向周圍發(fā)射輻射時，同時也吸收周圍物體所發(fā)射的輻射能，當物體與外界進行能量交換慢到使物體在任何短時間內(nèi)仍保持確定溫度時，該過程可以看作是平衡的。 當紅外輻射輻射到任何一種材料的表面上時，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，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因素必然會在其發(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，在長波段則與其晶格振動特性有關。紅外加熱技術中的多數(shù)輻射材料，發(fā)出輻射的機制是由于分子轉(zhuǎn)動或振動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、化學鍵形式、晶體結構以及晶體中存在缺陷等因素都將對材料的發(fā)射率發(fā)生影響(a) 材料本身結構對其發(fā)射率的影響一般說金屬導電體的值較小，電介質(zhì)材料的值較高。存在這種差異的原因與構成金屬和電介質(zhì)材料的帶電粒子及其運動性直接有關。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構有關。 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

4、離子的靜電力結合在一起；碳化硅、硼化鋯、氮化鋯等材料屬于共價晶體，它們是靠兩個原子各自貢獻自旋相反的電子，共同參與兩個原子的束縛作用；鋁等金屬晶體的結構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，都會影響晶體的結構參數(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帶至導帶間的躍遷有關；在長波段主要與晶格振動有關。晶格振動頻率取決于晶體結構、組成晶體的元素的原子量及化學鍵特性。 圖7.1-1 純sic的單色發(fā)射率與波長的關系 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附近有一個顯著的發(fā)射率特征帶，這是sic基態(tài)振動的位置。(c) 原材料預處理工藝對發(fā)射率的影響同一種原材料因預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對表面不平整度的相對大小有關，與金屬表面上的化學特征(如油脂玷污、附有金屬氧化膜等)和物理特征(如氣體吸附、晶格缺陷及機械加工引起的表面結構改變等)有關。(f)材料的體因素對發(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。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變化，從而引起成分及結構的變化，將使材料的發(fā)射率改變。(2) 紅外輻射材料

7、的應用常用的發(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比例混合配制而成，通常涂敷在熱物體表面構成紅外輻射體。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(或同時伴隨其他非熱效應)，從而達到加熱、干燥的目的。如在機械和金屬領域用于機械設備的金屬部件、船舶的噴漆烘干，鑄型的干燥等；在化工領域用于熱塑性樹脂的干燥、玻璃和陶瓷的預熱和燒結等；在醫(yī)療領域用于促進血液循環(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和背景的輻射差別，以降低目標被發(fā)現(xiàn)和識別的可能性。近紅外偽裝涂層要求目標與背景的光譜反射率盡可能接近；中、遠紅外偽裝涂層則一般采用低發(fā)射率涂層材料，以彌補二者的溫度差異。紅外誘餌器作為對付紅外制導導彈的一種對抗手段，正受到重視。若采用固體熱紅外假目標，在表面涂上高發(fā)射率涂層，則能提