高辐射覆层技术

1、 发明人简介：发明人简介： 周惠敏，女，研究员，国务院政府周惠敏，女，研究员，国务院政府津贴享受者；津贴享受者；19821982年年1 1月毕业于北京钢铁月毕业于北京钢铁学院，获学士学位学院，获学士学位 ；20072007年年3 3月毕业于月毕业于澳大利亚南十字星大学，获工商管理硕澳大利亚南十字星大学，获工商管理硕士学位。全国士学位。全国“五一五一”劳动奖章，全国劳动奖章，全国“十大杰出职工十大杰出职工”，全国先进工作者，全国先进工作者，“全国十大创新能力民营女企业家全国十大创新能力民营女企业家”，全国全国“巾帼建功巾帼建功”标兵标兵 等荣誉获得者。等荣誉获得者。多年来一直从事材料及材料表面技

2、术研多年来一直从事材料及材料表面技术研究，共取得科技成果究，共取得科技成果2020多项，获得国家多项，获得国家专利专利1111项。曾两次作为中国南极考察队项。曾两次作为中国南极考察队队员赴南极考察。目前致力于高辐射覆队员赴南极考察。目前致力于高辐射覆层技术的研究。层技术的研究。我国大型工业炉窑总数约为我国大型工业炉窑总数约为12万台万台,其能源消耗占全其能源消耗占全国能耗总量的国能耗总量的25%左右左右,其中燃料炉占工业炉窑总数其中燃料炉占工业炉窑总数的的55%,能耗占全国能耗总量的能耗占全国能耗总量的23%.目前我国工业炉窑的平均热效率只有目前我国工业炉窑的平均热效率只有32%左右左右, 发

3、发达国家达到达国家达到50%左右左右,工业炉窑排放大量的工业炉窑排放大量的CO2, NOx, SOx等有害气体等有害气体,是是大气环境的主要污染源之一。大气环境的主要污染源之一。 高辐射覆层技术高辐射覆层技术 ( ( High High Radiative Coating TechRadiative Coating Tech） 是在物体表面涂覆一层具有高发射率的材料，使物体表面具有很强的热辐射吸收和辐射能力，使辐射传热的效率提高。 什么是高辐射覆层技术高辐射覆层技术是一种表面处理技术 传热有三种模式：对流、辐射、传导。传热有三种模式：对流、辐射、传导。 高温下以辐射传热为主。高温下以辐射传热为

4、主。斯蒂芬斯蒂芬- -玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 E= E=0 0 C C0 0（T T 100 100 ）4 4 高辐射覆层材料采用具有高发射率的红外涂料。高辐射覆层材料采用具有高发射率的红外涂料。高辐射覆层技术的原理高辐射覆层技术的原理 根据基尔霍夫定律，定律，材料的吸收率材料的吸收率（又称黑度）与发射率相等（又称黑度）与发射率相等。当物体表。当物体表面的发射率提高后，它的吸收热量的能面的发射率提高后，它的吸收热量的能力也相应提高。力也相应提高。一切物体在高于绝对零度时均会发射热辐射，红外一切物体在高于绝对零度时均会发射热辐射，红外线的波长从红色可见光的线的波长从红色可见光的0.76-100

5、0m，覆盖了波谱，覆盖了波谱中间一段，红外辐射的中间一段，红外辐射的电磁波本质电磁波本质。波动性和量子性双重特征，遵循同样形式的反射、波动性和量子性双重特征，遵循同样形式的反射、折射、干涉、衍射和偏振定律，其在真空中的折射、干涉、衍射和偏振定律，其在真空中的传播速传播速度都等于光速度都等于光速。表表 1 不同研究领域中红外光谱区的划分不同研究领域中红外光谱区的划分研究领域研究领域近红外，近红外，m中红外，中红外，m远红外，远红外，m极远红外，极远红外，m红外光谱学红外光谱学0.75-2.52.5-251.5-5.6光学物理光学物理0.75-1.51.5-5.65.6-1000照明照明0.75-

6、1.41.4-3.03.0-1000军事、空间军事、空间0.75-3.03.0-6.06.0-15.015.0-1000红外加热红外加热0.75-2.52.5-15.015.0-1000黑体单位表面积发射的总辐射功率与绝对温度的四黑体单位表面积发射的总辐射功率与绝对温度的四次方成正比，温度只要有较小的变化，就会引起物体次方成正比，温度只要有较小的变化，就会引起物体的辐射功率发生较大变化。的辐射功率发生较大变化。任何物质的温度只要高于绝对温度，都会不断地辐任何物质的温度只要高于绝对温度，都会不断地辐射能量，同时也不断地吸收其他物质辐射出来的能量，射能量，同时也不断地吸收其他物质辐射出来的能量，并

7、把吸收的能量转化成热辐射再辐射出去。并把吸收的能量转化成热辐射再辐射出去。1.红外光谱的形成和产生条件红外光谱的形成和产生条件分子的总能量为分子的总能量为E=Ee+E+Er，式中，式中Ee电子运电子运动能量；动能量；E振动能量；振动能量；Er转动能量。转动能量。不是任何分子都能出现振动和转动状态的变化都会不是任何分子都能出现振动和转动状态的变化都会产生红外光谱。产生红外光谱。双原子分子如果是同核分子，双原子分子如果是同核分子，不产生红外光谱；异不产生红外光谱；异核分子，无论分子的转动和伸缩都会导致辐射场的变核分子，无论分子的转动和伸缩都会导致辐射场的变化，因此可观察到红外光谱。因此，双原子分子

8、产生化，因此可观察到红外光谱。因此，双原子分子产生红外光谱的必要条件是必须具有红外光谱的必要条件是必须具有固有偶极矩阵固有偶极矩阵。对于多原子分子，不管有没有固有偶极矩，只要转对于多原子分子，不管有没有固有偶极矩，只要转动和振动能够引起偶极矩的变化，就能产生红外光谱。动和振动能够引起偶极矩的变化，就能产生红外光谱。这是多原子分子产生红外光谱的必要条件。这是多原子分子产生红外光谱的必要条件。2.固体介质中的光吸收过程固体介质中的光吸收过程固体介质的吸收或发射原理除了物质的化学成分以固体介质的吸收或发射原理除了物质的化学成分以外，与材料结构和能态有密切关系。通常有本征吸收外，与材料结构和能态有密切

9、关系。通常有本征吸收和自由载流子吸收和自由载流子吸收3.晶格振动光吸收理论晶格振动光吸收理论固体的红外辐射，除了受电子的运动和能量状态影固体的红外辐射，除了受电子的运动和能量状态影响以外，还与固体的晶格振动及其与辐射场的能量交响以外，还与固体的晶格振动及其与辐射场的能量交换有关。换有关。4.杂质及其它吸收理论杂质及其它吸收理论晶体中的杂质也会引起光的吸收。晶体中的杂质也会引起光的吸收。综上所述，影响红外辐射与吸收的主要机理有：晶格振动的综上所述，影响红外辐射与吸收的主要机理有：晶格振动的共振吸收和多声子吸收、自由载流子吸收及杂质引起的不同共振吸收和多声子吸收、自由载流子吸收及杂质引起的不同机理

10、的吸收。机理的吸收。晶格振动引起的辐射与吸收集中在远红外区；自由载流子引晶格振动引起的辐射与吸收集中在远红外区；自由载流子引起的吸收则从近红外开始形成连续的吸收光谱；杂质或缺陷起的吸收则从近红外开始形成连续的吸收光谱；杂质或缺陷引起的吸收要视其引发机理的不同，可形成有限宽度的吸收引起的吸收要视其引发机理的不同，可形成有限宽度的吸收带和红外连续吸收光谱。带和红外连续吸收光谱。物质对红外辐射的发射和吸收实质上是分子体系的跃迁偶极物质对红外辐射的发射和吸收实质上是分子体系的跃迁偶极矩和光的振荡电场相互作用的结果。晶格中矩和光的振荡电场相互作用的结果。晶格中缺陷的存在和杂缺陷的存在和杂质的引入质的引入

11、都可以改变晶格振动活性，使晶格振动增强，从而都可以改变晶格振动活性，使晶格振动增强，从而提高晶体在相应波段的红外辐射率。提高晶体在相应波段的红外辐射率。1935年美国福特汽车公司首次将红外辐射应用于加年美国福特汽车公司首次将红外辐射应用于加热干燥汽车漆膜。热干燥汽车漆膜。1970年前后，随着红外基础理论研究的深入和红外年前后，随着红外基础理论研究的深入和红外测试手段的进步，红外加热技术除了供漆行业外，已测试手段的进步，红外加热技术除了供漆行业外，已扩大到许多行业。如扩大到许多行业。如:金属的淬火，退火、铸锭锻压金属的淬火，退火、铸锭锻压前的加热和大型容器焊缝的应力消除等高温场合。此前的加热和大

12、型容器焊缝的应力消除等高温场合。此外，还用在医疗上面，如用红外加热代替外，还用在医疗上面，如用红外加热代替“灸灸”刺激刺激穴位，治疗多种疾病。穴位，治疗多种疾病。我国的红外加热技术从我国的红外加热技术从1958年开始，最早研究的是年开始，最早研究的是红外辐射加热源如红外辐射加热源如红外线灯泡等，红外线灯泡等，1966年开始应用到年开始应用到缝纫机、自行车表面的油漆层进行烘烤作业。缝纫机、自行车表面的油漆层进行烘烤作业。1976年国内进入了远红外加热应用产品和通用元件年国内进入了远红外加热应用产品和通用元件的工业设计和生产的新阶段，为在全国范围内普及应的工业设计和生产的新阶段，为在全国范围内普及

13、应用远红外技术奠定了物质基础。用远红外技术奠定了物质基础。随着红外技术的发展，随着红外技术的发展，20世纪世纪70年代，红外辐射涂年代，红外辐射涂料逐步被应用到炉窑，到料逐步被应用到炉窑，到20世纪世纪80年代许多技术先进年代许多技术先进的国家为了达到节能的目的，投入了大量的人力、财的国家为了达到节能的目的，投入了大量的人力、财力进行辐射涂料在工业炉上的应用研究。力进行辐射涂料在工业炉上的应用研究。美国美国CRC公司生产的红外辐射涂料在工业炉上使用，公司生产的红外辐射涂料在工业炉上使用，可节能可节能10%30%，同时涂料对炉衬基体还有保护作，同时涂料对炉衬基体还有保护作用，可延长耐火材料使用寿

14、命用，可延长耐火材料使用寿命14倍。倍。我国江苏、上海、湖南、北京的一些科研单位进行我国江苏、上海、湖南、北京的一些科研单位进行了辐射涂料的开发，在石化行业和钢铁行业的加热炉了辐射涂料的开发，在石化行业和钢铁行业的加热炉有些应用。但涂料存在高温粘结强度差，易脱落，全有些应用。但涂料存在高温粘结强度差，易脱落，全波段辐射性能较差等问题。波段辐射性能较差等问题。典型产品如英国典型产品如英国CRC公司的公司的ET-4型红外涂料、美国型红外涂料、美国CRC公司的公司的C-10A、SBE涂料、英欧澳多国联营的涂料、英欧澳多国联营的Encoat涂料以及日本涂料以及日本CRC公司的公司的CRC1100、CR

15、C1500涂涂料。料。我国上海硅酸盐研究所推出的我国上海硅酸盐研究所推出的HK-81和和HT-1涂料、涂料、北京科技大学开发研制的北京科技大学开发研制的BJ-1和和CTC型涂料、昆明型涂料、昆明物理研究所推出的物理研究所推出的HKP-84红外辐射涂料、武汉钢铁红外辐射涂料、武汉钢铁集团公司开发的集团公司开发的WGC-1涂料以及济南慧敏科技有限涂料以及济南慧敏科技有限公司推出的公司推出的“杰能王杰能王”涂料等。涂料等。增加炉壁发射率，增强炉辐射传热，提高热效率增加炉壁发射率，增强炉辐射传热，提高热效率发射率与温度的关系发射率与温度的关系表表2 炉内黑度与吸热后能量分布炉内黑度与吸热后能量分布炉内

16、壁黑度传导热损失反射能量辐射能量0.355%65%30%0.705%30%65%0.905%10%85%500100015000.00.20.40.60.81.0 陶瓷纤维 常用耐火炉衬 红外辐射涂料1 红外辐射涂料2发射率温度，20改善耐火材料发射率的全波谱分布改善耐火材料发射率的全波谱分布发射率与波长的关系发射率与波长的关系高温辐射能量大多数集中高温辐射能量大多数集中在在1-5m1-5m波段，如波段，如10001000和和13001300时，会分别有时，会分别有76%76%和和85%85%的辐射能量集中在这的辐射能量集中在这一波段内，而一般的耐火一波段内，而一般的耐火材料在这一波段的发射率

17、材料在这一波段的发射率很低，对高温辐射不利，很低，对高温辐射不利，红外辐射涂料可以弥补这红外辐射涂料可以弥补这一不足。一不足。02468101214160.00.20.40.60.81.04324 红外辐射涂料2 高铝砖3 粘土砖发射率波长,m1 粘土浇注料1 左图是高发射率基料的透左图是高发射率基料的透射电子显微镜（射电子显微镜（TEM）形貌）形貌图，图中粉料颗粒大小为图，图中粉料颗粒大小为25-120nm，经超细化处理工艺，经超细化处理工艺，能使基料颗粒达到微纳米尺能使基料颗粒达到微纳米尺度（最大度（最大2mm）。颗粒的超细。颗粒的超细化使得涂料在涂覆到基材表化使得涂料在涂覆到基材表面后，

18、能渗透到基体的内部，面后，能渗透到基体的内部，并形成一定厚度的过渡层，并形成一定厚度的过渡层，可提高覆层的附着力。可提高覆层的附着力。 吹风清灰吹风清灰喷前处理胶喷前处理胶喷涂高辐射覆层材料喷涂高辐射覆层材料 “杰能王杰能王”微纳米高温红外涂料微纳米高温红外涂料烘炉时自烧结固化烘炉时自烧结固化高辐射覆层的施工工艺：高辐射覆层的施工工艺： 、界面理论，在表面覆层制备过程中采用了、界面理论，在表面覆层制备过程中采用了前处理技术，前处理胶改变了基体的表面张力，前处理技术，前处理胶改变了基体的表面张力，使表面张力减小，提高了基体的吸附涂料的能力。使表面张力减小，提高了基体的吸附涂料的能力。为提高覆层的

19、附着力采用的技术：为提高覆层的附着力采用的技术：、超细粉技术，涂料的微纳米级颗粒使涂料渗透超细粉技术，涂料的微纳米级颗粒使涂料渗透到基体的开口气孔中，形成了涂料与砖体的渗态结合。到基体的开口气孔中，形成了涂料与砖体的渗态结合。保证覆层不脱落！保证覆层不脱落！ 渗透深度约渗透深度约 3 mm覆层厚度约覆层厚度约300m涂料填充到基体的开口气孔中，形涂料填充到基体的开口气孔中，形成涂料聚集区，并在显微结构图中成涂料聚集区，并在显微结构图中呈现为黑色颗粒。未与基体发生化呈现为黑色颗粒。未与基体发生化学反应，形成低熔点相。学反应，形成低熔点相。格子砖覆层截面的显微结构格子砖覆层截面的显微结构 涂料与基

20、体形成了覆层过渡层基体结构，涂料与基体形成了覆层过渡层基体结构，过渡层的形成保证了覆层与基体有良好粘结性能，过渡层的形成保证了覆层与基体有良好粘结性能，而过渡层的形成是由于涂料填充到基体的开口气孔而过渡层的形成是由于涂料填充到基体的开口气孔中，形成涂料渗透区。中，形成涂料渗透区。 硅质砖表面形态硅质砖表面形态 (25) 硅质砖覆层表面形态硅质砖覆层表面形态 (25) 高铝质砖表面形态高铝质砖表面形态 (25) 高铝质砖覆层表面形态高铝质砖覆层表面形态 (25) 高辐射率覆层对耐火材料物理性能的影响高辐射率覆层对耐火材料物理性能的影响覆层对高铝砖物理性能的影响覆层对高铝砖物理性能的影响试样试样体积密度体积密度（g/cmg/cm3 3）气孔率气孔率（% %）耐压强度耐压强度（MPaMPa）抗折强度抗折强度（MPaMPa）抗热震性抗热震性（次）（次）高温蠕变高温蠕变（