解读红外辐射陶瓷的原理及应用
2020-12-18 17:40:20
1800年，英国天文学家威廉·赫舍尔（W.Herschel）发现通过玻璃棱镜折射的可见光谱的红色谱带外存在一种不可见的“具有最大加热能力的射线”，随后法国物理学家白克兰把这种辐射称之为红外辐射。
辐射是物体的固有属性，一切高于绝对零度的物体都会发生红外辐射。红外辐射是一种波长在0.75~1000μm电磁光谱，既具有波动性又具有粒子性，既遵循波动规律，也遵循量子规律，可被红外辐射材料吸收和发射。
近年来，红外辐射传热技术得到了迅速的发展，世界能源的危机加剧更是促进了它在民用领域的兴起，而强化辐射传热技术的关键，就在于高红外辐射材料的选择。目前，红外辐射陶瓷材料因具有优良的化学稳定性，高温稳定性及优良的红外辐射性能，已是最常用的红外辐射材料之一。
一、红外辐射产生机制
红外辐射源于组成材料的分子、原子或离子体系内部运动状态的变化。量子理论研究表明，物质吸收和发射红外光的实质是分子偶极矩的变化与光的振荡电场相互作用的结果。相关研究表明，短波辐射与电子跃迁密切相关，长波辐射则主要取决于晶格的振动特性，分子发生振动或转动时伴随偶极矩的变化所产生的辐射是材料发生辐射的原因。根据对称性原则：粒子振动时的对称性越低，偶极矩的变化就越大，其红外辐射性能就越强。
依据产生机制的不同，红外辐射可分为这三个区域
大多数红外辐射陶瓷材料是由多原子组成的大分子物质，多离子体系在振动过程中容易改变分子的对称性而使偶极矩发生变化，促进红外线的吸收和发射。材料的红外辐射特性与材料的晶体结构、晶格缺陷以及所含杂质密切相关，因此通过调整晶格振动频率、使晶格发生畸变和进行化学掺杂是改善材料红外辐射性能的关键。
二、红外辐射陶瓷的分类
当前对于高红外辐射率陶瓷材料的研究，主要包括以下几个体系: 堇青石体系、尖晶石体系、钙钛矿体系、磁铅矿体系等。
1、堇青石体系
堇青石材料由于具有热膨胀系数小，热稳定性好，红外辐射性能优异等特点而成为研究重点。它具有环状结构的硅酸盐结构，为六方晶系。其基本单元是由5个［SiO4］和1个［AlO4］组成的六元环构成，环与环之间由［MgO6］八面体与［AlO4］相连接，在平行于C轴方向存在由六圆环围成的空腔。
堇青石结构立体图
上图所示的为堇青石结构立体图(氧原子忽略，节点处分别为Si4+，Al3+，Mg2+)。由于其结构不致密，异质离子易于进入堇青石六元环结构通道或取代部分基质离子(如Mg2+)，降低晶体结构的对称性，发生晶格畸变，从而使堇青石陶瓷材料的红外辐射性能得以提升。当前已见报道取代Mg2+的异质离子有Fe2+、(Li1/2Al1/2)2+、Tm3+、Zn2+、Ti4+等。
2、尖晶石体系
尖晶石型晶体属于立方晶系，化学分子式为AB2O4，晶体结构见下图所示。A代表二价金属离子，如Mg2+、Mn2+、Zn2+等；B代表三价金属离子，如Al3+、Cr3+、Fe3+等。每个尖晶石晶胞有64个四面体空隙与32个八面体空隙，这些空隙易于被其他金属离子取代或填充，可以实现金属离子的扩散以及掺杂改性，这就为提高尖晶石体系材料的红外辐射性能提供了有利条件。
尖晶石型晶体结构及A、B 位离子在晶体结构中的位置
3、钙钛矿体系
钙钛矿型化合物分子式为ABO3，晶体结构如图所示，其中A位是稀土或碱土金属离子，通常起稳定结构的作用；B位为过渡金属离子，A、B位离子皆可被半径相近的金属离子取代形成阴离子缺陷或不同价态的B位离子，从而增强自由载流子吸收与晶格震动吸收，使该材料体系的红外辐射性能得以强化。目前研究较多的为LaCrO3与LaMnO3材料。
钙钛矿型晶体结构
4、六铝酸盐体系
六铝酸盐化合物分子式为MAl12O19，磁铅矿型晶体结构如图所示。M为碱土金属（Ba2+除外）或稀土金属，由互成镜像的氧化铝尖晶石结构单元和M离子形成的镜面层交替堆积而成，每个晶胞中含有两个尖晶石堆垛与两个晶面，每一个尖晶石堆垛中含有64个四面体空隙与32个八面体空隙，其中4个Al3+占据四面体空隙，8个Al3+占据了八面体空隙，可以通过掺杂引入合适的过渡金属离子取代四面体与八面体空隙中的Al3+，使之稳定存在于其晶格结构中，可形成丰富的晶格缺陷，从而使红外辐射性能得到强化。目前，已见报道的典型材料为六铝酸镧。
磁铅矿型六铝酸盐的晶体结构
三、红外陶瓷材料的应用
目前，红外陶瓷材料的应用日益广泛，无论是传统的干燥加热领域，还是医疗保健、环保建材、航天航空、导电导热材料领域，都不乏它的存在。
1、红外干燥和加热
①改造加热设备：高辐射红外陶瓷材料在加热节能领域中的应用是其发展的主导方向之一。在800℃以上的高温阶段，热量传递主要以辐射传热为主。在工业加热设备内壁上涂刷高辐射红外涂料，将有效地改善传热过程，提高加热设备的传热效率，有效提高能量利用率，是行之有效的节能方法之一。陶瓷材料还具有耐高温、抗氧化，耐腐蚀等优点，同时可达到保护设备的目的，使设备使用寿命更长。
陶瓷远红外辐射涂层应用示意图
②制造红外烘烤和干燥设备：红外线是电磁波的一部分，在空气或真空中都能有效地传递热量，红外烘烤和干燥热传递效率高而且无污染，在一定程度上可以实现物料内外同时加热,加快烘烤和干燥速度，而且能量耗散少。用高辐射红外陶瓷材料制造或者是由金属粉末与高辐射陶瓷粉末混合制成金属红外烘烤干燥设备投入可带来可观的经济效益和良好的社会价值。
2、抗菌材料
在陶瓷原料中添加Zr、Mn、Fe、Co、Ni及其氧化物等烧制成瓷，在常温下能发射出8~18μm波长的远红外线。该波段的红外辐射能够直接穿透细胞壁，产生的热效应能够有效破坏菌体的新陈代谢和生长繁殖，从而具有杀菌功能。用含远红外陶瓷材料的包装或容器保存蔬菜、水果、果汁等能起到保鲜抑菌的作用，防止食品腐败变质。
3、医疗保健
红外辐射可按波长细分为近红外(0.76~2.5μm)和远红外(2.5~1000μm)，其中波长9~11μm的远红外辐射容易被人体皮肤所吸收，波长为10~16μm的远红外辐射的频率与人体有机官能团肽链的固有振动频率相一致。
当对应波长的远红外线辐射人体时可促进血液循环，增强血液的物质交换,同时促进人体需要的酵素生成，增强机体免疫力和体细胞组织再生能力。红外辐射能直接穿透细胞壁，细菌体分泌的毒素在此环境下容易受到破坏，可有效破坏菌体的新陈代谢和抑制其生长繁殖。因此，高辐射远红外陶瓷材料常被用于对人体进行红外理疗。
红外理疗产品深受保健人士喜爱
4、建筑材料
建筑陶瓷具有强度高、耐腐蚀、大方美观的特点，在家居生活中的应用十分广泛。在陶瓷或者釉料中添加少量的稀土和微量的过渡金属氧化物与堇青石、莫来石等复合可制备在常温下具有红外辐射性能的建筑陶瓷材料，利用该材料进行室内装潢，可在常温下发射红外线，能够有效活化室内空气，净化人类居住生活环境，对人体起到抗菌、保健的作用，是一种优良的环境友好型建筑材料。
5、燃料活化
近几年，工业废气和汽车尾气对大气环境的污染日趋严重，世界各地都纷纷加强对空气的净化处理。研究表明，采用常温红外陶瓷作为燃料活化器，接入靠近内燃机的油路中，利用其常温下辐射的红外线使燃油分子活化，提高燃油分子的内能，增加动力性能，从而达到节油和减少尾气中CO、H2S等有毒气体排放的目的，不仅净化了空气，还提高了燃油的热效率。
结语
目前红外辐射陶瓷材料已经获得越来越多的关注，其应用也已经扩展到了人们的日常生活中。但随着之后红外辐射陶瓷材料向纳米化、成分复合化及性能多样化三方面发展，相信它还会有更多的潜力被挖掘出来，。
资料来源：
高红外辐射陶瓷材料的研究进展，王峰，钱学强，李小伟，韦国静，韩召，叶建，陈义祥，李江涛。
高辐射红外陶瓷材料的研究进展及应用，王黔平，郭相雄，王若鑫，张家生，吴卫华。
红外辐射陶瓷材料的研究现状及趋势，戴永刚，罗凤钻，高张海。