紅外陶瓷的研究進(jìn)展及應(yīng)用

支 瑞，李遠(yuǎn)亮*，張 鑫，賈鵬偉，趙 雪

（華北理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，唐山 063000）

1 前言

發(fā)射率材料是指紅外發(fā)射率小于0.5的材料。

輻射是物體的固有特性之一，輻射是由物體中電子的振動或激發(fā)而引起的，當(dāng)溫度高于0K時，內(nèi)部電子將會產(chǎn)生振動，隨著溫度升高，電子的振動也越劇烈，向外輻射的能量也會隨之增大。雖然我們的肉眼無法看見，但是紅外輻射在我們的生活中無處不在。1800年，英國的天文學(xué)家威廉·赫舍爾在研究太陽光譜各個部分的熱效應(yīng)時首次發(fā)現(xiàn)了紅外線。此后隨著物理學(xué)的發(fā)展，包括維恩、普朗克等在內(nèi)的許多科學(xué)家不遺余力地做了大量的研究工作去了解紅外輻射的本質(zhì)并建立基本的定律，從而為紅外科學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)［1］。

陶瓷材料一般是由多原子組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)物質(zhì)。原子在振動過程中往往會經(jīng)歷偶極矩變化，偶極矩變化程度越大，紅外輻射就越強(qiáng)。偶極矩的變化與分子的對稱性有關(guān)，分子對稱性越好，偶極矩變化就越困難，因此降低分子對稱性是提高紅外輻射的主要手段之一。

紅外陶瓷可以根據(jù)發(fā)射效率分為三大類；高紅外輻射率、低紅外輻射率和選擇性紅外輻射材料。紅外輻射率很高的陶瓷，其發(fā)射率數(shù)值接近于1。選擇性紅外輻射陶瓷是指紅外發(fā)射率隨波長而改變的陶瓷材料，通常在8μm后有較高的輻射率。低

2 影響紅外發(fā)射率的因素

2.1 晶體結(jié)構(gòu)與離子摻雜

正尖晶石型結(jié)構(gòu)的紅外發(fā)射率由于其結(jié)構(gòu)對稱性較好，所以較小，反尖晶石型結(jié)構(gòu)紅外發(fā)射率其結(jié)構(gòu)對稱性不如正尖晶石型結(jié)構(gòu)，理論上其紅外發(fā)射率比較高，但實(shí)際上有大有小，混合尖晶石型結(jié)構(gòu)的紅外發(fā)射率比較高［2］。在堇青石結(jié)構(gòu)中，鎂氧八面體中的鎂離子易被其他離子取代從而引起晶格缺陷和畸變，使紅外發(fā)射率增加。目前通過摻雜的方式來增加尖晶石和堇青石結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和不對稱性來提高其紅外發(fā)射率。徐慶［3］等人通過固相燒結(jié)法制得的Fe2O3-MnO2-Co2O3-CuO系過渡金屬氧化物陶瓷及其分別和堇青石與高嶺土組成的復(fù)合體系陶瓷，測量了常溫下8～14μm波段的紅外輻射率，過渡金屬氧化物陶瓷和復(fù)合陶瓷常溫下的紅外輻射率分別達(dá)到0.930和0.920，并且指出過渡金屬氧化物陶瓷在常溫下產(chǎn)生高的紅外輻射率，與其內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。閆國進(jìn)［4］使用鐵氧體和堇青石進(jìn)行復(fù)合，制備的多相陶瓷的全波段紅外發(fā)射率提高了2～6%，光譜輻射率提高了1～7%。少量的Fe和Mn元素溶入到堇青石的結(jié)構(gòu)之中，F(xiàn)e2+和Mn2+可以與Mg2+發(fā)生類質(zhì)同象置換，造成堇青石結(jié)構(gòu)發(fā)生了變形，原有的晶體結(jié)構(gòu)對稱性降低，發(fā)生了偶極矩的變化，從而使復(fù)相陶瓷的紅外輻射率增大。Shuming Wang［5］等人以13.8wt%SiO2、34.9wt%Al2O3、41.3wt%MgO 制備了堇青石，將NiO摻雜到堇青石之中，測得其全波段法向發(fā)射率可達(dá)到0.90，同時NiO的摻雜可以抑制μ-堇青石的析出，促進(jìn)α-堇青石在MgO、Al2O3SiO2玻璃中結(jié)晶。張瀟予等人［6］，使用了固相燒結(jié)法制得了ZnO代替MgO摻雜的堇青石結(jié)構(gòu)的紅外陶瓷粉體，在燒成溫度為1380℃，ZnO的添加量為22.5%時，制備的紅外陶瓷粉體在8～14μm波段的發(fā)射率高達(dá)0.978。孫元寶［7］等人研究表明，在原料中摻雜少量的釔（Y）或鈀（Pd）等稀土元素氧化物可以明顯地提高遠(yuǎn)紅外輻射率。Ying Zhang［8］等人，摻雜稀土元素和鎳的鐵氧體，隨著稀土元素含量與鎳含量比值的增加，晶格常數(shù)變小，當(dāng)Gd/Ni為0.2時在8～14μm波段紅外發(fā)射率最高為0.938。Yi Deng［9］等人，通過固相反應(yīng)合成了有Ce/Mn摻雜的LaAlO3，實(shí)驗(yàn)表明La0.7Ce0.3Mn0.4Al0.6O3樣品在8～14μm波段具有最高的發(fā)射率0.915。具有較大半徑的Mn2+導(dǎo)致嚴(yán)重的晶格畸變并加強(qiáng)兩個橋鍵的不對稱振動，最終導(dǎo)致Ce/Mn共摻雜LaAlO3陶瓷的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的增強(qiáng)。

2.2 細(xì)度、涂層厚度及表面粗糙程度

劉維良［10，11］分別通過固相合成法和液相共沉淀法制備了遠(yuǎn)紅外陶瓷粉體。通過液相共沉淀法制備的粉體的粒徑達(dá)到95nm，但通過固相合成法制備的粉體的粒徑分布不均勻。同時當(dāng)化學(xué)成分相同時，粉體的顆粒粒度越細(xì)，其法向全輻射率就越大。閆正［12］等人研究發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外陶瓷涂料厚度不同發(fā)射率就不同，質(zhì)量越小，厚度越薄，發(fā)射率會有所偏高。Y.M.Wang［13］等人，通過微弧氧化法在2024鋁合金表面制備了含γ-Al2O3的紅外發(fā)射率涂料，且研究在500℃下測試的紅外發(fā)射率性能，結(jié)果表明，樣品的紅外發(fā)射率值取決于相組成和涂層的表面粗糙度，逐漸增加的γ-Al2O3含量以及一些含有Si和P的氧化物有助于在8～20mm的波長范圍內(nèi)具有更高的紅外輻射率值。增加的表面粗糙度導(dǎo)致波長3-5mm處的發(fā)射率從0.2顯著增加到0.4。

3 紅外陶瓷的應(yīng)用

隨著紅外研究的日益發(fā)展，紅外陶瓷材料應(yīng)用的方向越來越多，主要應(yīng)用在烘干、加熱、醫(yī)療、紡織、飲用水活化及軍事上紅外偽裝。

3.1 加熱烘干

紅外線的本質(zhì)是電磁波，是熱射線的一種，無需介質(zhì)便可有效地在空氣中或真空中傳遞熱量，可以實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)外的同時加熱，傳熱效率高，可以加快烘烤和干燥速度，減少能源消耗。Selas［14］公司采用高強(qiáng)度晶格改善燃?xì)饧t外干燥技術(shù)，可以快速地升溫和冷卻，不受溫度沖擊的影響，使用壽命顯著延長。張靜、董鵬飛［15］研究發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外低溫真空干燥可以大大改善干燥產(chǎn)品的品質(zhì)且節(jié)能優(yōu)勢突出。

3.2 醫(yī)療

8～12μm的紅外線可以被人體吸收，促進(jìn)血液循環(huán)，改善細(xì)胞活性，并提高人體免疫力。紅外線對一些身體疾病有治療效果，R.P.Weatherby［16］等人進(jìn)行了對遠(yuǎn)紅外發(fā)射陶瓷運(yùn)動膏藥治療超大負(fù)荷肌肉酸痛的療效觀察。實(shí)驗(yàn)表明，紅外輻射膏藥可以提高施藥部位的溫度，促進(jìn)血液流動，從而達(dá)到緩解肌肉酸痛的目的。尹述標(biāo)［17］成功研發(fā)了由尖晶石、莫來石與α-石英組成的具有多相結(jié)構(gòu)的過渡金屬氧化物-天然硅酸鹽復(fù)合紅外輻射材料，具有很強(qiáng)的抑菌作用。

3.3 紡織

遠(yuǎn)紅外織物最初由日本的UNIX和TORAY這兩家公司開發(fā)并投入生產(chǎn)。它已經(jīng)發(fā)展了30多年，成為功能性紡織品的重要分支［18］。近年來，人們越來越關(guān)注具有保健功能的紡織品，紅外紡織品不僅具有傳統(tǒng)服裝的保溫效果，還有提高機(jī)體免疫功能和消除水腫的功效，同時還具備抑制因汗液而滋生細(xì)菌的作用。

3.4 飲用水活化

上海綠塘凈化設(shè)備有限公司申請了一項(xiàng)發(fā)明專利［19］，水分子經(jīng)過紅外線照射后，大分子簇的水分子會分解重新締合成小分子團(tuán)的水，經(jīng)過陶瓷膜過濾器過濾，小分子的水透過過濾器，而雜質(zhì)和沉淀物被擋住，從而達(dá)到飲用水凈化的效果。

3.5 軍事紅外偽裝

紅外隱形涂料主要用于躲避紅外攝像機(jī)的偵察，目的是降低紅外波段的目標(biāo)亮度，在紅外攝像機(jī)中掩蓋或改變目標(biāo)的形狀，從而降低了檢測和識別的可能性。找尋具有低紅外輻射率的材料是實(shí)現(xiàn)熱紅外隱身技術(shù)的關(guān)鍵。Mengyu Shi［20］等人測量了由聚氨酯和鋁的復(fù)合材料制備的涂層，其紅外發(fā)射率僅為0.204。同時，背景環(huán)境的紅外輻射特性與偽裝目標(biāo)的紅外輻射特性相似，也可以達(dá)到偽裝和隱身的效果。楊玲［21］等人，用共沉淀法制備的Mg/Al-LDH水滑石材料的紅外發(fā)射率和植物葉片的紅外發(fā)射率相似度為0.9741，相似度是比較高的。

4 紅外陶瓷的發(fā)展趨勢

可見光占陽光的45%、紅外線占50%、電磁輻射占5%，紅外輻射中95%的紅外輻射能量集中在波長為0.75～2.5μm的近紅外范圍內(nèi)。在未來將應(yīng)用于節(jié)能環(huán)保方面以及建筑外墻、室內(nèi)涂料等各種保溫隔熱方面。節(jié)能環(huán)保方面可主要應(yīng)用于窯爐、高爐等高溫作業(yè)場所。目前，這些高溫作業(yè)場所耗能高，熱利用率低，熱能與能源浪費(fèi)嚴(yán)重，若在這些場所的內(nèi)襯部位涂覆紅外陶瓷材料，將大大提高熱能與能源利用率，但目前紅外陶瓷材料的結(jié)構(gòu)在長時間高溫環(huán)境下易被破壞，導(dǎo)致其使用壽命較短。在保溫隔熱方面，紅外陶瓷材料可以運(yùn)用至建筑外墻，減少太陽能向建筑物內(nèi)部傳導(dǎo)；也可運(yùn)用于室內(nèi)涂料、壁紙等裝修材料，紅外輻射與負(fù)離子釋放相結(jié)合，達(dá)到凈化室內(nèi)空氣，保健人體健康的效果；還可運(yùn)用至路面，可以有效減少路面夏季溫度，可以減少車轍、城市熱島效應(yīng)等危害。這些方面市場應(yīng)用較少，未被大面積推廣，未來可通過改善生產(chǎn)工藝、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品性能來加速其推廣。