紅外輻射材料及其應用

吳洋

摘 要：本文主要介紹了幾種紅外輻射材料的體系，以及相關體系所存在的問題，后面進一步列舉了紅外輻射材料在生活當中的應用，并展望開發更多體系的具有較高發射率的紅外輻射材料，讓其更好的服務于各行各業當中。

關健詞：紅外輻射；堇青石；過渡金屬氧化物

1 前言

紅外輻射材料指的是具有較高的紅外輻射率的一類材料，最早對遠紅外技術的應用要追溯到上個世紀20 ～ 30年代，由于紅外線具有能耗低、較強的熱效應等特點，其應用深入到各行業當中[1-3]，尤其在醫療保健、遠紅外織物以及燃油活化等方面應用得特別廣泛。隨著人們物質生活水平的提高，對自身的健康也越來越重視，人體發射的波長處于遠紅外線的波長范圍之內，所以遠紅外線能夠對人體的細胞產生較強的共振作用，有利于加速人體的新陳代謝，提高人體的免疫功能。紅外材料作為一種能夠提供保健功能的材料自然而然的受到廣泛關注，越來越多的研究也致力于制備具有較高紅外發射率的材料。

2 紅外輻射的機理

微觀動力學指出，在絕對零度以上，分子總是在不停地運動，而分子的振動、轉動以及晶格的振動會使得偶極矩發生變化從而產生紅外輻射，材料內部結構的對稱性越低，偶極矩的變化也就越大，紅外輻射能力也就越強。而研究表明[1]，遠紅外線的發射跟晶體的晶格振動密切相關，不同的晶體結構對應著不同的振動頻率。陶瓷材料是一類多原子組成的晶體材料，所以陶瓷材料一般具有較大的遠紅外發射率。當一定頻率的紅外輻射照射到物體表面的時候，且輻射物質的紅外頻率跟受體物體的熱振動頻率相同時，紅外輻射會被物質所吸收從而增強受體的分子熱運動而產生熱效應。維恩定律[4]指出：絕對黑體對應的最大光譜輻出量波長λm與熱力學溫度T成反比，他們之間滿足λm·T=b這一關系式，其中b為維恩位移常數，b=0.002897 m·K。基于人體而言，當紅外輻射材料發射的波長在8 ～ 15 μm范圍內時，人體能夠更好的吸收，具有較好的保健效果，因而有較多的研究致力于提高紅外材料常溫下在8 ～ 15 μm的發射率，以實現較好的保健效果。

3 紅外輻射材料的研究體系

高輻射率材料的研究隨著紅外技術的飛速發展逐漸成為熱點，而紅外輻射陶瓷又以其優越的紅外輻射特性備受關注。目前，國內研究的紅外輻射材料主要分為兩大體系：（1）以堇青石為主的紅外輻射材料；（2）以過渡金屬氧化物為主的紅外輻射材料。為了進一步的提高紅外發射率，也有將上述兩種體系復合研究的報道[5]。

3.1 堇青石質紅外輻射材料

堇青石是一種熱膨脹系數小，化學穩定性優良，具有良好的抗熱震性的陶瓷材料，在所屬的硅酸鹽材料中，堇青石材料具有較好的紅外輻射性能。堇青石的化學組成為Mg2Al4Si5O12，是一種六元環結構，由4個硅氧四面體和2個鋁氧四面體組成一個六元環，六元環沿C軸排列，六元環之間靠2個【AlO4】、1個【SiO4】四面體和2個【MgO6】八面體連接。四面體和八面體共棱連接，形成三維骨架。起連接作用的【MgO6】八面體中的Mg2+容易被其它離子取代而引起晶格缺陷和畸變，繼而引起材料中固有偶極距發生變化，降低了離子振動的對稱性，從而提高其紅外輻射性能。

對于堇青石質陶瓷材料來說，一般是通過摻雜取代A位或者B位上的原子，由于摻雜的原子離子半徑和電價的差異，造成材料內部的晶格缺陷，降低材料的對稱性從而提高紅外發射率。徐慶[6]等人在堇青石中添加ZnO，取代部分的Mg2+，采用固相合成法，制備了理論組成為Mg2（1-x）Zn2xAl4Si5O18（x≈0 ～ 0.6）的紅外陶瓷材料，在實驗過程中發現，當氧化鋅的添加量x=0.4時，在8 ～ 14 μm波段的輻射率達到了0.91以上，Mg2+和Zn2+電價相同，但是離子半徑有較大的差異，鋅離子的摻入導致了晶格畸變，提高了材料的紅外發射率。與此同時，也有相關研究者對不等價的摻雜做了相關的報道，張霞[7]等利用稀土元素銩離子取代Mg2+制備了堇青石體系的紅外陶瓷材料，試驗做了幾組不同的配比，結果發現，當Tm3+的摻雜量達到0.08時，在全波段，樣品的法向發射率高達0.91。劉曉芳[8]等人也發現當Ti4+固溶到堇青石結構中時，所制備的陶瓷材料的紅外發射性能得到了明顯的提升，在8 ～ 15μm的法向發射率達0.9 ～ 0.94。劉維良[9]等在紅外陶瓷材料當中加入適量的主要起激活催化作用的Y2O3和Pd2O3，一方面引起了材料內部的晶格畸變，另外一方面，提高了電子空穴的濃度，所以獲得了具有較高發射率的紅外輻射材料。近年來，日本學者赤澤敏之[10]等人利用MnO2取代MgO制備了堇青石質紅外材料，并對其紅外輻射性能進行了系統的研究。

摻雜的堇青石質復合材料雖然具有較高的紅外發射率，但是在實際的燒成過程中也存在較多的問題[11-14]。堇青石的燒成范圍較窄，特別是在經過摻雜之后存在著化學計量比不容易控制，溫度太高，容易出現莫來石晶相，溫度太低，固溶反應未能充分地進行，這些都會影響到堇青石純相的合成，并影響陶瓷材料的遠紅外發射率。因此在合成堇青石類的復合陶瓷材料時，原料的配比，處理工藝，燒成時間，物相組成都是需要重點研究的問題。

3.2 以過渡金屬氧化物為主體的紅外輻射材料

過渡金屬氧化物的一種或者幾種混合在一起時會形成AB2O4構型，這種尖晶石構型的陶瓷材料，其中A和B分別代表2價或者3價的金屬離子，分別填充在尖晶石結構的四面體和八面體空隙當中。尖晶石結構又有正尖晶石結構、反尖晶石結構以及混合尖晶石結構之分。正尖晶石結構由于四面體空隙和八面體空隙分別被2價離子和3價離子所占據，所以其紅外發射率較低，反尖晶石結構由于是一半三價離子占據四面體空隙，另一半陽離子共同占據四面體空隙和八面體空隙，降低了晶體結構的對稱性，故而具有較高的遠紅外發射率，其代表物有CoFeO4、NiFe2O4等，各種常見的尖晶石礦物的紅外發射率如下表1所示。（注：Fl、F2、F8對應的波長范圍分別為：全波段2.5 ～ 25 μm、2.5 ～ 8 μm、2.5 ～ 14 μm；F3 ～ F7對應的波長范圍分別為：分別以8.55、9.50、10.6、12.0、13.5為中心，范圍為1 μm的光譜波帶。）

由于過渡金屬氧化物本身具有較高的紅外發射率，為了得到在全波段發射率較高，熱穩定性較好的紅外輻射材料，需要將過渡金屬氧化物進行復合制備復合型紅外輻射材料。高島廣夫，高田弘一等人采用Fe2O3、MnO2、CuO、CoO等過渡金屬氧化物為原料，合成出法向全波段輻射率大于0.90的高輻射紅外陶瓷。上個世紀八十年代，日本學者高島廣夫研究了Fe-Co-Mn-Cu系陶瓷材料，發現這類陶瓷材料無論是在長波段還是短波段均具有較高的紅外發射率，故而有了“黑陶瓷”[15]之稱。歐陽德剛[16]等選擇MnO2、Fe2O3、CuO、Co2O3以重量比6：2：l：l的配方進行試樣制備，在不同溫度下的燒結，得出燒結溫度對試樣紅外性能影響較小，這一研究也在徐慶等人的研究中得到了相關的證實。吳建峰[17]等人采用化學純的MnO2、Fe2O3、CuO、Co2O3、Ni2O3以不同的比例混合，均制得了紅外發射率較高的復合陶瓷材料。張英[18]等人研究了Co-Zn-Ni-Fe體系材料的紅外輻射性能，結果發現，復合材料在8 ～ 14 μm波段的紅外輻射率高達0.92，在此基礎上，研究了稀土離子摻雜該體系的紅外發射率，經過系統的研究發現，摻雜Sm3+，Tb4+均對材料的紅外輻射性能有較大影響，當Sm3+的摻雜濃度為0.11 wt%時，材料的紅外輻射性能最佳，而Tb4+的摻入主要是和材料中的Fe3+和Co3+形成置換型固溶體，引起晶格畸變，從而提高材料的紅外輻射性能。

對于過渡金屬氧化物紅外輻射性能的研究主要集中在Co-Zn-Ni-Fe體系和Co-Mn-Cu-Fe體系，以這些體系為基礎，還有許多摻雜稀土離子，其它金屬離子制備復合材料的相關研究。但是這一類體系的陶瓷材料也存在著相關的使用限制等問題，比如所運用的過渡金屬氧化物為黑色，限制了其應用的范圍，其次，過渡金屬氧化物的熱膨脹系數較大，因此，所制備的材料的抗熱震性也較差，在制備的過程中，固相反應的時間較長，原料的成本較高等一系列的問題。鑒于出現的此類問題，也有相關的研究將堇青石體系和過渡金屬氧化物體系復合來制備紅外輻射材料的研究。日本的高島廣夫[10]等人將過渡金屬氧化物在1150℃下燒結后加入堇青石再次燒結，發現兩種體系的陶瓷材料復合之后對整體的發射率并沒有產生很大影響，而且耐熱沖性也得到了改善。吳春蕓[19]等人采ZrO2、TiO2為原料，采用固相燒結法制備出具有反尖晶石結構的過渡金屬氧化物體系，加入堇青石后在1100℃再次燒結，制備出法向全波段輻射率為0.87的多相紅外輻射陶瓷，閆國進[20]等人分別用堇青石生料，鐵氧體生料和堇青石熟料和鐵氧體熟料混合，制備了性能良好的復相陶瓷材料，顧而丹[21]以MnO2、Fe2O3、Co2O3、CuO等過渡金屬氧化物為原料，添加少量Ni2O3、Al2O3等摻雜物，經過固相反應制備得到了高發射率的紅外輻射材料。

4 紅外輻射材料的應用

隨著紅外技術的發展，紅外輻射材料的應用范圍逐漸的擴大，從最初的紅外加熱到現在的紅外保健，工業化節能等方面，下面列舉幾種主要的紅外技術的應用。

4.1 在建筑陶瓷領域的應用

紅外材料發射的遠紅外線能夠和人體細胞產生共振，有利于刺激人體的新陳代謝，改善體內循環，提高人體免疫力。因此，有研究將遠紅外陶瓷按照一定的配比加入到建筑陶瓷磚當中，用以美化家居環境。劉維良[9]等人將遠紅外陶瓷粉加入到陶瓷釉料當中，在沒有影響陶瓷釉面質量的情況下制備了具有較高法向發射率的遠紅外陶瓷磚，顧幸勇[5]利用一些尾礦制備了遠紅外陶瓷粉，將其按照一定的比例加入到陶瓷坯體當中，制備了遠紅外玻化磚，但其法向發射率還有待提高。鑒于紅外材料高發射率的特性，將紅外材料作為內襯涂刷于工業窯爐的內部，一方面經過高輻射的傳熱提高了加熱速率，另外一方面使得窯爐內部的溫度得到了均化，大大的改善了能源的利用效率，如報道[4]的歐美國家的ENECOAT涂料，將其應用于電阻爐的內襯之后，其節能效果高達30%。

4.2 在航空領域的應用

熱量的傳遞方式主要有熱對流、熱傳導和熱輻射等三種，而在高溫的環境下，最主要的傳熱方式是熱輻射。在航空航天領域，航天器與大氣層之間的摩擦會產生大于1000℃的高溫，當在航天器的表面涂覆一層紅外輻射材料，由于加速熱量的傳導，起到散熱的目的，有效地保護了航天器。另外，在燃油當中加入適量的紅外材料，其紅外輻射特性可以提高燃油顆粒的活性，促進燃油顆粒的充分燃燒，在提高燃燒效率的同時減少了尾氣的排放。

4.3 在醫療保健行業的應用

在臨床上，對患者的傷口進行處理后，但是提高其傷口愈合速度是醫療工作者追求的目標。目前，臨床上有使用紅外醫療器械定期照射患者的傷口以達到快速愈合的目的，這是因為創傷的愈合需要肌纖維的合成，需要足夠的氧供應，紅外照射可以促進血液循環，促進纖維細胞的修復和再生，從而達到促進傷口愈合的目的。紅外線對人的皮下組織也具有一定的穿透能力，因此，也有將紅外材料分散在纖維當中，制成紅外保健衣物，能夠提高機體的免疫力。紅外材料也有運用在浴室等相關的環境中。

鑒于紅外材料諸多優異的特性，目前，對紅外材料的開發使用所涉及的領域還比較窄，還有更多的領域等待去開發。與此同時，目前所開發的紅外材料的體系仍有許多的發展空間，仍需要制備高發射率的紅外材料，從材料的成分，處理工藝去開發更多性能穩定的紅外材料。

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