红外高发射率陶瓷材料——尖晶石体系红外辐射机理探讨

概念：高发射率陶瓷材料、红外辐射

性能：高的红外发射率、化学稳定性好、热稳定性佳 尖晶石材料的优点在于中远红外波段（中红外波段 3 ~ 40 微米,远红外波段 40 ~ 1000 微米）发射率较高，缺点在于其近红外波段（780-2526nm）发射率较低。

应用：工业炉，比如加热炉、淬火炉、步进炉等 作用：提高热效率，低碳节能； 相关：ZS-1061 主要内容：掺杂稀土离子的尖晶石铁氧体的高发射率陶瓷材料的红外辐射机理及研发方 向。

红外辐射是由于物质内部的原子和分子不断运动产生的，温度高于绝对零度的物体都 会向外发射电磁波即红外辐射。 陶瓷材料是由多原子组成的具有大分子结构的材料，而多原子在振动时容易改变分子 对称性从而使材料偶极矩发生变化，因此陶瓷材料具有较高的红外发射率。堇青石体系（由 SiO4 和 AlO4 四面体通过角连接组成的六元环三维框架，每个六元环之间由 AlO4 与 MgO6 相 连接）、尖晶石体系（通式 AB2O4 表示，其中 A 和 B 分别主要是二价和三价阳离子）、钙钛 矿体系（ABO3，式中的 A 是稀土或碱土金属离子，而 B 则是过渡金属离子）、莫来石体系 （Al2O3 与 SiO2 组成的非定比化合物）、SiC 材料（低温---β-SiC 的立方晶型，六方密排结构 ---α-SiC） 尖晶石型铁氧体材料由通式 AB2O4 表示，其中 A 和 B 分别主要是二价和三价阳离子。

#百家新收益#大 量的过渡金属氧化物在尖晶石结构中由于氧离子的紧密堆积而结晶，晶胞中具有大量四面体 及八面体间隙，这些空隙易于被其他阳离子占据以便对尖晶石型铁氧体进行掺杂改性，从而 改善尖晶石铁氧体材料的红外辐射性能。 其中，分子结构为 MFe2O4(M=Co，Zn，Ni，Cu 等) 的尖晶石铁氧体有很多优良特性：较窄的带隙宽度、较低的毒性和优异的红外辐射特性。

早期研究： 将 Ni2+掺杂入 Co-Zn 铁氧体中，得到的尖晶石复合材料在 8~14 μm 波段范围内红外发 射率接近 0.92。

改进： 将 Ni2+与稀土离子(钆[gá] Gd3+，钐 [shān] Sm3+和铕 [yǒu]Eu3+)共掺杂入 Co-Zn 铁氧体 中得到的材料在 8~14 μm 波段范围内红外发射率提高到 0.938。 理论基础：稀土离子的半径几乎都大于金属离子的半径，将它们掺杂入铁氧体后会造成 明显的晶格畸变从而提高尖晶石材料的红外发射率。 对单一掺杂稀土离子铈 Ce3+的 Co-Zn 铁氧体进行研究发现，5μm 以上波段的红外辐射 主要来自声子和声子组合辐射的耦合作用。

另外，有研究人员提出如果在此能够引入力常数 K0 的变化对于晶格畸变的影响，则将 有助于更好地解释此波段中尖晶石铁氧体的辐射机理。 不同 Cu2+掺杂量的 CuxCo1-xFe2O4 粉末，并通过傅里叶红外光谱（FT-IR）和 X 射线衍射 (XRD)光谱获得的数据计算力常数 K0，结果表明，K0 越小的样品在此光谱范围内的红外发射 率越高。 与此波段红外发射率的增强机理不同的是，3~5 μm 波段红外发射率的增强与材料中阳 离子跃迁有关，而带隙宽度对于阳离子跃迁能力有着重要影响，所以有研究者从带隙宽度对 材料红外发射率的影响作了深入研究 比较了 Fe3O4、NiFe2O4和 CuFe2O4 三种尖晶石铁氧体的带隙以及光吸收系数，结果表明， Fe3O4 的较窄带隙使得其电子跃迁比 NiFe2O4 和 CuFe2O4 的电子跃迁容易，所以 Fe3O4 在 3~5 μm 波段内具有最高的发射率。

了解了 3~5 μm 波段范围内红外辐射增强机理便可利用此知识对其他尖晶石铁氧体在 这一波段红外发射率的提升提供理论指导。 有研究员 利用溶剂热法合成了具有纳米尺寸的 Cu Fe2O4 尖晶石结构颗粒，紫外-近红外 UV-NIR 吸收光谱表明，随着烧结温度的升高，光吸收性能得到改善，伴随着带隙宽度的降低， 电子跃迁几率增加，制备的 Cu Fe2O4 尖晶石结构材料的最佳红外辐射发射率高达 0.965。

尖晶石铁氧体具有良好的化学性质以及优异的红外发射特性。目前研究中主要通过掺杂 稀土离子来提高尖晶石铁氧体中远红外波段的红外发射率，且通过实验证明这是行之有效的 办法。ZS（1061） 主要是这方面的深入应用，利用高发射率的陶瓷材料（过渡金属掺 杂的尖晶石铁氧体、钇 Y 掺杂的尖晶石铁氧体、掺杂 Cu2+的以三氧化二铝和二氧化硅组成的 莫来石等）制备的红外辐射涂料 ZS（1061）。陶瓷涂料 ZS（1061） 涂覆于工业炉内壁，可充分利用 炉内热量，对炉内工件二次加热强化，达到节能环保的目的。