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1、新型功能材料红外材料的性能及应用前景 作者： 摘要：红外辐射位于电磁波谱的中央，其波长覆盖四个数量级。在整个电磁波谱中，不管是哪一个波段，其传播速度都是光速c，波长为(厘米)，每秒振动数称为频率(秒-1)。 1. 红外辐射材料理论上，在0K以上时，任何物体均可辐射红外线，故红外线是一种热辐射，有时也叫热红外。但工程上，红外辐射材料只指能吸收热物体辐射而发射大量红外线的材料。红外辐射材料可分为热型、“发光”型和热“发光”混合型三类。红外加热技术主要采用热型红外辐射材料。（1）红外材料的特性红外辐射材料的辐射特性决定于材料的温度和发射率。而发射率是红外辐射材料的重要特征值，它是相对于热平衡辐射体的
2、概念。热平衡辐射体是指当一个物体向周围发射辐射时，同时也吸收周围物体所发射的辐射能，当物体与外界进行能量交换慢到使物体在任何短时间内仍保持确定温度时，该过程可以看作是平衡的。 当红外辐射辐射到任何一种材料的表面上时，一部分能量被吸收，一部分能量被反射，还有一部分能量被透过。由于能量守恒，吸收率、反射率、透过率之间有如下关系 根据基尔霍夫定律，任何辐射体的辐射出射度和吸收率之比相同并恒等于同温度下黑体的辐射出射度，且只和温度有关，可得：式中e为发射率，也叫比辐射率。这说明影响材料反射、透射和辐射性能的有关因素必然会在其发射率的变化规律中反映出来。材料发出辐射是因组成材料的原子、分子或离子体系在不
3、同能量状态间跃迁产生的。 这种发出的辐射在短波段主要与其电子的跃迁有关，在长波段则与其晶格振动特性有关。红外加热技术中的多数辐射材料，发出辐射的机制是由于分子转动或振动而伴随着电偶矩的变化而产生的辐射。因此，组成材料的元素、化学键形式、晶体结构以及晶体中存在缺陷等因素都将对材料的发射率发生影响(a) 材料本身结构对其发射率的影响一般说金属导电体的值较小，电介质材料的值较高。存在这种差异的原因与构成金属和电介质材料的带电粒子及其运动性直接有关。带电粒子的特性不同，材料的电性和发射红外辐射的性能就不一样，而这往往与材料的晶体结构有关。 例如：氧化铝、氧化硅等电介质材料属于离子型晶体，它主要靠正、负
4、离子的静电力结合在一起；碳化硅、硼化锆、氮化锆等材料属于共价晶体，它们是靠两个原子各自贡献自旋相反的电子，共同参与两个原子的束缚作用；铝等金属晶体的结构可以看作是正离子晶格内自由电子把它们约束在一起。显然，在晶格中存在杂质、缺陷时，都会影响晶体的结构参数，使材料的发射率发生变化。 (b) 材料的发射率随辐射波长的变化如前所述，多数红外辐射材料，其发射红外线的性能，在短波主要与电子在价带至导带间的跃迁有关；在长波段主要与晶格振动有关。晶格振动频率取决于晶体结构、组成晶体的元素的原子量及化学键特性。 图7.1-1 纯SiC的单色发射率与波长的关系 图7.1-1为600和1025情况下碳化硅的单色发
5、射率曲线。由图可见，SiC在12m附近有一个显著的发射率特征带，这是SiC基态振动的位置。(c) 原材料预处理工艺对发射率的影响同一种原材料因预处理工艺条件不同而有不同的发射串值。例如，经700空气气氛处理与经1400煤气气氛处理的氧化钛的常温发射率分别为0.81和0.86。 (d)发射率与温度的关系 温度影响材料的发射率。电介质材料的发射率较金属大的多，有些随温度升高而降低，有些随温度的升高而有复杂的变化。(e)发射率受材料表面状态影响一般说来，材料表面愈粗糙，其发射率值愈大。据报道，铬镍铁合金经不同表面处理后，其发射率有大幅度的变化。电抛光、喷砂、电抛光后再氧化这三种方法使其在482时的发
6、射率分别为0.11、0.31、0.60。红外线在金属表面上的反射性能与红外线波长对表面不平整度的相对大小有关，与金属表面上的化学特征(如油脂玷污、附有金属氧化膜等)和物理特征(如气体吸附、晶格缺陷及机械加工引起的表面结构改变等)有关。(f)材料的体因素对发射率的影响 材料的体因素包括材料的厚度、填料的粒径和含量等等。对某些材料，如红外线透明材料或半透明的材料，其发射率值还与其体因素有关。原因是红外线能量在传播过程中材料的吸收所致。(g) 材料的发射率随工作时间而变化 在工作条件下，由于与环境介质发生相互作用或其他物理化学变化，从而引起成分及结构的变化，将使材料的发射率改变。(2) 红外辐射材料
7、的应用常用的发射率高的红外辐射材料有石墨、氧化物、碳化物、氮化物以及硅化物等。 红外辐射搪瓷、红外辐射陶瓷以及红外辐射涂料等是一般红外辐射材料通常使用的形式。红外辐射涂料由辐射材料的粉末与粘接剂等按适当比例混合配制而成，通常涂敷在热物体表面构成红外辐射体。红外辐射材料在热能利用方面可用作红外加热、耐火材料等。红外加热与干燥是指利用热辐射体所发射出来的红外线，照射到物体上并被吸收后转换成热(或同时伴随其他非热效应)，从而达到加热、干燥的目的。如在机械和金属领域用于机械设备的金属部件、船舶的喷漆烘干，铸型的干燥等；在化工领域用于热塑性树脂的干燥、玻璃和陶瓷的预热和烧结等；在医疗领域用于促进血液循环
8、和汗腺的分泌、外伤的治疗等；在食品工业领域用于冷冻谷类捆包前的脱水、稻谷水果的烘干等等。高发射率红外辐射涂层属于不定形耐火材料中的一种，一般被涂于加热炉的炉衬耐火砖或耐火纤维毡表面，也可涂于测温套管、烧嘴砖等表面，将十分有利于热能的利用。红外辐射材料在军事应用方面 可用于红外伪装和红外诱饵器。 红外伪装的最基本原理是降低和消除目标和背景的辐射差别，以降低目标被发现和识别的可能性。近红外伪装涂层要求目标与背景的光谱反射率尽可能接近；中、远红外伪装涂层则一般采用低发射率涂层材料，以弥补二者的温度差异。红外诱饵器作为对付红外制导导弹的一种对抗手段，正受到重视。若采用固体热红外假目标，在表面涂上高发射率涂层，则能提高诱饵的红外辐射强度，从而提高假目标的有效性。选择不同辐射频率的材料作成的红外诱饵器可以模拟各种武器装备的红外辐射特征,更好地发挥红外诱饵假目标的作用。 在航天领域中，航天器用红外辐射涂层是一种高温高发射率涂层，涂在航天器蒙皮表面上，作为辐射防热结构。