紅外陶瓷的研究進展及應用

支 瑞，李遠亮*，張 鑫，賈鵬偉，趙 雪

（華北理工大學材料科學與工程學院，唐山 063000）

1 前言

發射率材料是指紅外發射率小于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而引起的，當溫度高于0K時，內部電子將會產生振動，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，英國的天文學家威廉·赫舍爾在研究太陽光譜各個部分的熱效應時首次發現了紅外線。此后隨著物理學的發展，包括維恩、普朗克等在內的許多科學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并建立基本的定律，從而為紅外科學奠定了理論基礎［1］。

陶瓷材料一般是由多原子組成的復雜結構物質。原子在振動過程中往往會經歷偶極矩變化，偶極矩變化程度越大，紅外輻射就越強。偶極矩的變化與分子的對稱性有關，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。

紅外陶瓷可以根據發射效率分為三大類；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，其發射率數值接近于1。選擇性紅外輻射陶瓷是指紅外發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 影響紅外發射率的因素

2.1 晶體結構與離子摻雜

正尖晶石型結構的紅外發射率由于其結構對稱性較好，所以較小，反尖晶石型結構紅外發射率其結構對稱性不如正尖晶石型結構，理論上其紅外發射率比較高，但實際上有大有小，混合尖晶石型結構的紅外發射率比較高［2］。在堇青石結構中，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，使紅外發射率增加。目前通過摻雜的方式來增加尖晶石和堇青石結構的復雜程度和不對稱性來提高其紅外發射率。徐慶［3］等人通過固相燒結法制得的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合陶瓷常溫下的紅外輻射率分別達到0.930和0.920，并且指出過渡金屬氧化物陶瓷在常溫下產生高的紅外輻射率，與其內部的晶體結構有關。閆國進［4］使用鐵氧體和堇青石進行復合，制備的多相陶瓷的全波段紅外發射率提高了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構之中，Fe2+和Mn2+可以與Mg2+發生類質同象置換，造成堇青石結構發生了變形，原有的晶體結構對稱性降低，發生了偶極矩的變化，從而使復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射率可達到0.90，同時NiO的摻雜可以抑制μ-堇青石的析出，促進α-堇青石在MgO、Al2O3SiO2玻璃中結晶。張瀟予等人［6］，使用了固相燒結法制得了ZnO代替MgO摻雜的堇青石結構的紅外陶瓷粉體，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波段的發射率高達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，晶格常數變小，當Gd/Ni為0.2時在8～14μm波段紅外發射率最高為0.938。Yi Deng［9］等人，通過固相反應合成了有Ce/Mn摻雜的LaAlO3，實驗表明La0.7Ce0.3Mn0.4Al0.6O3樣品在8～14μm波段具有最高的發射率0.915。具有較大半徑的Mn2+導致嚴重的晶格畸變并加強兩個橋鍵的不對稱振動，最終導致Ce/Mn共摻雜LaAlO3陶瓷的遠紅外發射率的增強。

2.2 細度、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紅外陶瓷粉體。通過液相共沉淀法制備的粉體的粒徑達到95nm，但通過固相合成法制備的粉體的粒徑分布不均勻。同時當化學成分相同時，粉體的顆粒粒度越細，其法向全輻射率就越大。閆正［12］等人研究發現遠紅外陶瓷涂料厚度不同發射率就不同，質量越小，厚度越薄，發射率會有所偏高。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的紅外發射率涂料，且研究在500℃下測試的紅外發射率性能，結果表明，樣品的紅外發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的波長范圍內具有更高的紅外輻射率值。增加的表面粗糙度導致波長3-5mm處的發射率從0.2顯著增加到0.4。

3 紅外陶瓷的應用

隨著紅外研究的日益發展，紅外陶瓷材料應用的方向越來越多，主要應用在烘干、加熱、醫療、紡織、飲用水活化及軍事上紅外偽裝。

3.1 加熱烘干

紅外線的本質是電磁波，是熱射線的一種，無需介質便可有效地在空氣中或真空中傳遞熱量，可以實現材料內外的同時加熱，傳熱效率高，可以加快烘烤和干燥速度，減少能源消耗。Selas［14］公司采用高強度晶格改善燃氣紅外干燥技術，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］研究發現遠紅外低溫真空干燥可以大大改善干燥產品的品質且節能優勢突出。

3.2 醫療

8～12μm的紅外線可以被人體吸收，促進血液循環，改善細胞活性，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］等人進行了對遠紅外發射陶瓷運動膏藥治療超大負荷肌肉酸痛的療效觀察。實驗表明，紅外輻射膏藥可以提高施藥部位的溫度，促進血液流動，從而達到緩解肌肉酸痛的目的。尹述標［17］成功研發了由尖晶石、莫來石與α-石英組成的具有多相結構的過渡金屬氧化物-天然硅酸鹽復合紅外輻射材料，具有很強的抑菌作用。

3.3 紡織

遠紅外織物最初由日本的UNIX和TORAY這兩家公司開發并投入生產。它已經發展了30多年，成為功能性紡織品的重要分支［18］。近年來，人們越來越關注具有保健功能的紡織品，紅外紡織品不僅具有傳統服裝的保溫效果，還有提高機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菌的作用。

3.4 飲用水活化

上海綠塘凈化設備有限公司申請了一項發明專利［19］，水分子經過紅外線照射后，大分子簇的水分子會分解重新締合成小分子團的水，經過陶瓷膜過濾器過濾，小分子的水透過過濾器，而雜質和沉淀物被擋住，從而達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的偵察，目的是降低紅外波段的目標亮度，在紅外攝像機中掩蓋或改變目標的形狀，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現熱紅外隱身技術的關鍵。Mengyu Shi［20］等人測量了由聚氨酯和鋁的復合材料制備的涂層，其紅外發射率僅為0.204。同時，背景環境的紅外輻射特性與偽裝目標的紅外輻射特性相似，也可以達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射率和植物葉片的紅外發射率相似度為0.9741，相似度是比較高的。

4 紅外陶瓷的發展趨勢

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。在未來將應用于節能環保方面以及建筑外墻、室內涂料等各種保溫隔熱方面。節能環保方面可主要應用于窯爐、高爐等高溫作業場所。目前，這些高溫作業場所耗能高，熱利用率低，熱能與能源浪費嚴重，若在這些場所的內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構在長時間高溫環境下易被破壞，導致其使用壽命較短。在保溫隔熱方面，紅外陶瓷材料可以運用至建筑外墻，減少太陽能向建筑物內部傳導；也可運用于室內涂料、壁紙等裝修材料，紅外輻射與負離子釋放相結合，達到凈化室內空氣，保健人體健康的效果；還可運用至路面，可以有效減少路面夏季溫度，可以減少車轍、城市熱島效應等危害。這些方面市場應用較少，未被大面積推廣，未來可通過改善生產工藝、降低生產成本、提高產品性能來加速其推廣。