红外陶瓷的研究进展及应用

支 瑞，李远亮*，张 鑫，贾鹏伟，赵 雪

（华北理工大学材料科学与工程学院，唐山 063000）

1 前言

发射率材料是指红外发射率小于0.5的材料。

辐射是物体的固有特性之一，辐射是由物体中电子的振动或激发而引起的，当温度高于0K时，内部电子将会产生振动，随着温度升高，电子的振动也越剧烈，向外辐射的能量也会随之增大。虽然我们的肉眼无法看见，但是红外辐射在我们的生活中无处不在。1800年，英国的天文学家威廉·赫舍尔在研究太阳光谱各个部分的热效应时首次发现了红外线。此后随着物理学的发展，包括维恩、普朗克等在内的许多科学家不遗余力地做了大量的研究工作去了解红外辐射的本质并建立基本的定律，从而为红外科学奠定了理论基础［1］。

陶瓷材料一般是由多原子组成的复杂结构物质。原子在振动过程中往往会经历偶极矩变化，偶极矩变化程度越大，红外辐射就越强。偶极矩的变化与分子的对称性有关，分子对称性越好，偶极矩变化就越困难，因此降低分子对称性是提高红外辐射的主要手段之一。

红外陶瓷可以根据发射效率分为三大类；高红外辐射率、低红外辐射率和选择性红外辐射材料。红外辐射率很高的陶瓷，其发射率数值接近于1。选择性红外辐射陶瓷是指红外发射率随波长而改变的陶瓷材料，通常在8μm后有较高的辐射率。低

2 影响红外发射率的因素

2.1 晶体结构与离子掺杂

正尖晶石型结构的红外发射率由于其结构对称性较好，所以较小，反尖晶石型结构红外发射率其结构对称性不如正尖晶石型结构，理论上其红外发射率比较高，但实际上有大有小，混合尖晶石型结构的红外发射率比较高［2］。在堇青石结构中，镁氧八面体中的镁离子易被其他离子取代从而引起晶格缺陷和畸变，使红外发射率增加。目前通过掺杂的方式来增加尖晶石和堇青石结构的复杂程度和不对称性来提高其红外发射率。徐庆［3］等人通过固相烧结法制得的Fe2O3-MnO2-Co2O3-CuO系过渡金属氧化物陶瓷及其分别和堇青石与高岭土组成的复合体系陶瓷，测量了常温下8～14μm波段的红外辐射率，过渡金属氧化物陶瓷和复合陶瓷常温下的红外辐射率分别达到0.930和0.920，并且指出过渡金属氧化物陶瓷在常温下产生高的红外辐射率，与其内部的晶体结构有关。闫国进［4］使用铁氧体和堇青石进行复合，制备的多相陶瓷的全波段红外发射率提高了2～6%，光谱辐射率提高了1～7%。少量的Fe和Mn元素溶入到堇青石的结构之中，Fe2+和Mn2+可以与Mg2+发生类质同象置换，造成堇青石结构发生了变形，原有的晶体结构对称性降低，发生了偶极矩的变化，从而使复相陶瓷的红外辐射率增大。Shuming Wang［5］等人以13.8wt%SiO2、34.9wt%Al2O3、41.3wt%MgO 制备了堇青石，将NiO掺杂到堇青石之中，测得其全波段法向发射率可达到0.90，同时NiO的掺杂可以抑制μ-堇青石的析出，促进α-堇青石在MgO、Al2O3SiO2玻璃中结晶。张潇予等人［6］，使用了固相烧结法制得了ZnO代替MgO掺杂的堇青石结构的红外陶瓷粉体，在烧成温度为1380℃，ZnO的添加量为22.5%时，制备的红外陶瓷粉体在8～14μm波段的发射率高达0.978。孙元宝［7］等人研究表明，在原料中掺杂少量的钇（Y）或钯（Pd）等稀土元素氧化物可以明显地提高远红外辐射率。Ying Zhang［8］等人，掺杂稀土元素和镍的铁氧体，随着稀土元素含量与镍含量比值的增加，晶格常数变小，当Gd/Ni为0.2时在8～14μm波段红外发射率最高为0.938。Yi Deng［9］等人，通过固相反应合成了有Ce/Mn掺杂的LaAlO3，实验表明La0.7Ce0.3Mn0.4Al0.6O3样品在8～14μm波段具有最高的发射率0.915。具有较大半径的Mn2+导致严重的晶格畸变并加强两个桥键的不对称振动，最终导致Ce/Mn共掺杂LaAlO3陶瓷的远红外发射率的增强。

2.2 细度、涂层厚度及表面粗糙程度

刘维良［10，11］分别通过固相合成法和液相共沉淀法制备了远红外陶瓷粉体。通过液相共沉淀法制备的粉体的粒径达到95nm，但通过固相合成法制备的粉体的粒径分布不均匀。同时当化学成分相同时，粉体的颗粒粒度越细，其法向全辐射率就越大。闫正［12］等人研究发现远红外陶瓷涂料厚度不同发射率就不同，质量越小，厚度越薄，发射率会有所偏高。Y.M.Wang［13］等人，通过微弧氧化法在2024铝合金表面制备了含γ-Al2O3的红外发射率涂料，且研究在500℃下测试的红外发射率性能，结果表明，样品的红外发射率值取决于相组成和涂层的表面粗糙度，逐渐增加的γ-Al2O3含量以及一些含有Si和P的氧化物有助于在8～20mm的波长范围内具有更高的红外辐射率值。增加的表面粗糙度导致波长3-5mm处的发射率从0.2显著增加到0.4。

3 红外陶瓷的应用

随着红外研究的日益发展，红外陶瓷材料应用的方向越来越多，主要应用在烘干、加热、医疗、纺织、饮用水活化及军事上红外伪装。

3.1 加热烘干

红外线的本质是电磁波，是热射线的一种，无需介质便可有效地在空气中或真空中传递热量，可以实现材料内外的同时加热，传热效率高，可以加快烘烤和干燥速度，减少能源消耗。Selas［14］公司采用高强度晶格改善燃气红外干燥技术，可以快速地升温和冷却，不受温度冲击的影响，使用寿命显著延长。张静、董鹏飞［15］研究发现远红外低温真空干燥可以大大改善干燥产品的品质且节能优势突出。

3.2 医疗

8～12μm的红外线可以被人体吸收，促进血液循环，改善细胞活性，并提高人体免疫力。红外线对一些身体疾病有治疗效果，R.P.Weatherby［16］等人进行了对远红外发射陶瓷运动膏药治疗超大负荷肌肉酸痛的疗效观察。实验表明，红外辐射膏药可以提高施药部位的温度，促进血液流动，从而达到缓解肌肉酸痛的目的。尹述标［17］成功研发了由尖晶石、莫来石与α-石英组成的具有多相结构的过渡金属氧化物-天然硅酸盐复合红外辐射材料，具有很强的抑菌作用。

3.3 纺织

远红外织物最初由日本的UNIX和TORAY这两家公司开发并投入生产。它已经发展了30多年，成为功能性纺织品的重要分支［18］。近年来，人们越来越关注具有保健功能的纺织品，红外纺织品不仅具有传统服装的保温效果，还有提高机体免疫功能和消除水肿的功效，同时还具备抑制因汗液而滋生细菌的作用。

3.4 饮用水活化

上海绿塘净化设备有限公司申请了一项发明专利［19］，水分子经过红外线照射后，大分子簇的水分子会分解重新缔合成小分子团的水，经过陶瓷膜过滤器过滤，小分子的水透过过滤器，而杂质和沉淀物被挡住，从而达到饮用水净化的效果。

3.5 军事红外伪装

红外隐形涂料主要用于躲避红外摄像机的侦察，目的是降低红外波段的目标亮度，在红外摄像机中掩盖或改变目标的形状，从而降低了检测和识别的可能性。找寻具有低红外辐射率的材料是实现热红外隐身技术的关键。Mengyu Shi［20］等人测量了由聚氨酯和铝的复合材料制备的涂层，其红外发射率仅为0.204。同时，背景环境的红外辐射特性与伪装目标的红外辐射特性相似，也可以达到伪装和隐身的效果。杨玲［21］等人，用共沉淀法制备的Mg/Al-LDH水滑石材料的红外发射率和植物叶片的红外发射率相似度为0.9741，相似度是比较高的。

4 红外陶瓷的发展趋势

可见光占阳光的45%、红外线占50%、电磁辐射占5%，红外辐射中95%的红外辐射能量集中在波长为0.75～2.5μm的近红外范围内。在未来将应用于节能环保方面以及建筑外墙、室内涂料等各种保温隔热方面。节能环保方面可主要应用于窑炉、高炉等高温作业场所。目前，这些高温作业场所耗能高，热利用率低，热能与能源浪费严重，若在这些场所的内衬部位涂覆红外陶瓷材料，将大大提高热能与能源利用率，但目前红外陶瓷材料的结构在长时间高温环境下易被破坏，导致其使用寿命较短。在保温隔热方面，红外陶瓷材料可以运用至建筑外墙，减少太阳能向建筑物内部传导；也可运用于室内涂料、壁纸等装修材料，红外辐射与负离子释放相结合，达到净化室内空气，保健人体健康的效果；还可运用至路面，可以有效减少路面夏季温度，可以减少车辙、城市热岛效应等危害。这些方面市场应用较少，未被大面积推广，未来可通过改善生产工艺、降低生产成本、提高产品性能来加速其推广。