红外辐射材料整理

红外材料 红外材料是指与红外线的辐射 吸收 透射和探测等相关的一些材料 主要介绍红外辐射材料 主要内容 1 1红外线的基本规律1 2红外辐射材料 1 1红外线的基本规律 1 普朗克定律和维恩定律2 斯蒂芬一玻尔兹曼定律3 基尔霍夫定律4 朗伯定律 红外线 红外线是英国赫舍尔在1800年发现的 它本质上和可见光一样是一种电磁波 波长在0 76 1000um之间 红外线的辐射起源于分子的振动和转动 而分子振动和转动起源于温度 所以在0K以上的温度下 一切物体均可辐射红外线 故红外线是一种热辐射 有时也叫它热红外 红外线分类 在红外技术中 按地球上大气对红外辐射传输的影响 将它分为四个光谱区 0 76 3um为近红外 3 6um为中红外区 6 15um为远红外区 15 1000um为极远红外区 不同学科有不同的划分方法 1 普朗克定律和维恩定律 在0K时 M 趋于零 在一定绝对温度范围内 M 随波长增加而上升 达到最大值后 又随波长增加而下降 M 黑体辐射出的能量密度C1 3 17 10 6C2 1 44 10 2T 绝对温度 2 斯蒂芬一玻尔兹曼定律 黑体的辐射常数 或称斯蒂芬一玻尔兹曼常数 等于5 67 10 8W m2 K4M 黑体的辐射出射度 单位面积发射的能通量 W m2 辐射出射度与绝对温度的四次方成比关系 该定律可用于任何热辐射体 发射率 3 基尔霍夫定律 确定了物体出射度M和吸收率 之间的联系 即 M1 1 M2 2 M3 3 Mm M f T 说明 任何热辐射体的辐射出射度和吸收率之比相同并恒等于黑体的辐射出射度 且只和温度有关 表明 若物体对某种波长的辐射有很强的吸收能力 则它对这种辐射的发射能力也很强 4 朗伯定律 它确定了黑体沿个别方向的辐射变化 并可表示为 一定方向上单位面积单位立体角内的辐射能通量与该方向同表面法线方向的夹角的余弦成正比 1 2红外辐射材料 工程上 红外辐射材料是指能吸收热辐射而发射大量红外线的材料 红外辐射材料可分为热型 发光 型 热 发光 混合型三类 红外加热技术主要采用热型红外辐射材料 红外辐射材料相关概念 一 发射率二 影响材料发射率的因素三 红外辐射材料的种类四 红外辐射材料的应用 一 发射率 红外辐射材料的辐射特性决定于材料的温度和发射率 发射率是红外辐射材料的重要特征值 它是相对于热平衡辐射体的概念 热平衡辐射体是当一个物体向周围发射辐射时 同时也吸收周围物体所发射的辐射能量 当物体与外界进行能量交换慢到使物体在任何短时间内仍保持确定温度时 该过程可以看作是平衡 发射率 和光谱发射率 把实际物体发射的辐射出射度和同一温度下黑体发射的辐射出射度之比定义为发射率 也称全发射率 把各个波长的辐射出射度与同温度 同波长下黑体的辐射出射度之比定义为光谱发射率 也称为单色发射率 发射率与波长无关的物体称为灰体 随波长变化而改变发射率的物体称为选择性辐射体 法向发射率 n 垂直于辐射表面的发射率 称为法向发射率 n 二 影响材料发射率的因素 影响材料反射 透射和辐射性能的有关因素必然会在其发射率的变化规律中反映出来 材料发出辐射是因其组成原子 分子或离子体系在不同能量状态间跃迁产生的 一般说 这种发出的辐射 在短波段主要与其电子的跃迁有关 在长波段则与其晶格振动特性有关 因之 组成材料的元素 化学键形式 晶体结构以及存在缺陷等因素都将对材料的发射率发生影响 影响发射率的因素 1 材料本身结构2 辐射波长3 原材料预处理工艺4 温度5 表面状态6 材料的体因素7 工作时间 1 材料本身结构 一般地 金属导电体的 值较小 电介质材料的 值较高 存在这种差异的原因与构成金属和电介质材料的带电粒子及其运动特性直接有关 带电粒子的特性不同 材料的电性和发射红外辐射的性能就不一样 而这往往与材料的晶体结构有关 氧化铝 氧化硅等电介质材料属于离子型晶体碳化硅 硼化锆 氮化锆等材料属于共价晶体铝等金属晶体的结构是正离子晶格由自由电子把它们约束在一起 2 辐射波长 多数红外辐射材料 其发射红外线的性能 在短波主要与电子在价带至导带间的跃迁有关 绝缘体9eV 半导体1 3eV 在长波段主要与晶格振动有关 晶格振动频率取决于晶体结构 组成晶体的元素的原子量及化学键特性 纯SiC的单色发射率与波长的关系 3 原材料预处理工艺 同一种原材料因预处理工艺条件不同而有不同的发射率值 经700 空气气氛处理与经1400 煤气气氛处理的氧化钛的常温发射率分别为0 81和0 86 4 温度 电介质材料的发射率较金属大得多 有些随温度升高而降低 有些随温度的升高而有复杂的变化 5 表面状态 一般说来 材料表面愈粗糙 其发射率值愈大 暖气片表面不光滑 红外线在金属表上的反射性能与红外线波长对表面不平整度的相对大小有关 与金属表面上的化学特征 如油脂玷污 附有金属氧化膜等 和物理特征 如气体吸附 晶格缺陷及机械加工引起的表面结构改变等 有关 6 材料的体因素 材料的体因素包括材料的厚度 填料的粒径和含量等等 对某些材料 如红外线透明材料或半透明的材料 其发射率值还与其体因素有关 原因是红外线能量在传播过程中材料的吸收所致 随着玻璃厚度的增加 发射率增大 7 工作时间 在工作条件下 由于与环境介质发生相互作用或其它物理化学变化 从而引起成分及结构的变化 将使材料的发射率改变 一种高温搪瓷的发射率 常用的发射率较高的红外辐射材料有碳 石墨 氧化物 碳化物 氮化物以及硅化物等 红外辐射搪瓷 红外辐射陶瓷以及红外辐射涂料等是一般红外辐射材料通常使用形式 红外辐射涂料通常涂敷在热物体表面构成红外辐射体 红外辐射涂料中一般都选用在工作温度范围内发射率高的材料 红外辐射涂料由辐射材料的粉末与粘接剂 无机 等按适当比例混合配制而成 部分红外辐射涂料的性能及规格 四 红外辐射材料的应用 1 用于热能利用方面 1 红外加热 2 作为耐火材料 2 用于航天领域3 用于军事目的 1 防红外伪装涂层 2 红外诱饵器 防红外伪装涂层 红外伪装的最基本原理是降低和消除目标和背景的辐射差别 以降低目标被发现和识别的可能性 近红外伪装涂层要求目标与背景的光谱反射率尽可能接近 中 远红外伪装涂层则一般采用低发射率涂层材料 以弥补二者的温度差异 红外诱饵器 红外