In 1800 ontdekte de Britse astronoom William Herschel (W.Herschel) dat er een onzichtbare "straal met de grootste verwarmingskracht" is buiten de rode band van het zichtbare spectrum dat wordt gebroken door een glazen prisma, gevolgd door de Franse natuurkundige Berklain die deze straling noemt Infrarood straling
Straling is een inherente eigenschap van objecten en alle objecten boven het absolute nulpunt zenden infraroodstraling uit. Infraroodstraling is een elektromagnetisch spectrum met een golflengte van 0,75~1000μm, dat zowel golf- als deeltjeseigenschappen heeft. Het volgt zowel de golfwet als de kwantumwet en kan worden geabsorbeerd en uitgezonden door infrarode stralingsmaterialen.
In de afgelopen jaren heeft de warmteoverdrachtstechnologie met infraroodstraling zich snel ontwikkeld en de intensivering van de wereldwijde energiecrisis heeft de opkomst ervan op civiel gebied bevorderd. De sleutel tot het versterken van stralingswarmteoverdrachtstechnologie ligt in de selectie van hoog-infraroodstralingsmaterialen. Op dit moment zijn keramische materialen met infraroodstraling een van de meest gebruikte infraroodstralingsmaterialen vanwege hun uitstekende chemische stabiliteit, hoge temperatuurstabiliteit en uitstekende infraroodstralingseigenschappen.
1. Mechanisme voor het genereren van infraroodstraling:
Infraroodstraling is afkomstig van veranderingen in de interne bewegingstoestand van de moleculen, atomen of ionen waaruit het materiaal bestaat. Kwantumtheoretische studies hebben aangetoond dat de essentie van materie die infrarood licht absorbeert en uitzendt, het resultaat is van de interactie tussen de verandering van het moleculair dipoolmoment en het oscillerende elektrische veld van licht. Relevante studies hebben aangetoond dat kortgolvige straling nauw verwant is aan elektronische overgangen, terwijl langgolvige straling vooral afhangt van de trillingskarakteristieken van het rooster. Volgens het symmetrieprincipe: hoe lager de symmetrie van de deeltjestrilling, hoe groter de verandering van het dipoolmoment en hoe sterker de infraroodstralingsprestaties.
De meeste keramische materialen met infraroodstraling zijn macromoleculaire stoffen die zijn samengesteld uit polyatomen. Het polyionsysteem verandert gemakkelijk de symmetrie van het molecuul tijdens het vibratieproces en verandert het dipoolmoment, wat de absorptie en emissie van infraroodstralen bevordert. De eigenschappen van infraroodstraling van materialen hangen nauw samen met de kristalstructuur, roosterdefecten en onzuiverheden in de materialen. Daarom zijn het aanpassen van de roostertrillingsfrequentie, het vervormen van het rooster en chemische doping de sleutels tot het verbeteren van de infraroodstralingseigenschappen van materialen.
Ten tweede, de classificatie van keramiek met infraroodstraling:
Het huidige onderzoek naar keramische materialen met een hoge infraroodemissie omvat voornamelijk de volgende systemen: cordierietsysteem, spinelsysteem, perovskietsysteem, magnetoplumbietsysteem, enz.
1. Cordieriet-systeem
Het cordierietmateriaal is de focus van onderzoek geworden vanwege zijn kleine thermische uitzettingscoëfficiënt, goede thermische stabiliteit en uitstekende infraroodstralingseigenschappen. Het heeft een silicaatstructuur met een ringstructuur en is een hexagonaal kristalsysteem. De basiseenheid is samengesteld uit zesledige ringen bestaande uit vijf [SiO4] en één [AlO4]. De ringen zijn verbonden door [MgO6] octaëder en [AlO4]. Een holte omsloten door een ring.
2. Spinel-systeem
Het spinelkristal behoort tot het kubische kristalsysteem, de chemische formule is AB2O4 en de kristalstructuur wordt weergegeven in de onderstaande figuur. A staat voor tweewaardige metaalionen, zoals Mg2 plus, Mn2 plus, Zn2 plus, enz.; B staat voor driewaardige metaalionen, zoals Al3 plus, Cr3 plus, Fe3 plus, enz. Elke spineleenheidscel heeft 64 tetraëdrische holtes en 32 octaëdrische holtes. Deze holtes kunnen gemakkelijk worden vervangen of gevuld door andere metaalionen, die de diffusie van metaalionen en dopingmodificatie kunnen realiseren. De infraroodstralingseigenschappen van de systeemmaterialen zorgen voor gunstige omstandigheden.
3. Perovskiet-systeem
De molecuulformule van de perovskietverbinding is ABO3 en de kristalstructuur is weergegeven in de figuur. De A-site is een zeldzame aarde- of aardalkalimetaalion, die meestal een rol speelt bij het stabiliseren van de structuur; de B-plaats is een overgangsmetaalion. De metaalionen worden vervangen om aniondefecten of B-site-ionen met verschillende valentietoestanden te vormen, waardoor de absorptie van vrije dragers en roostertrillingsabsorptie wordt verbeterd, zodat de infraroodstralingsprestaties van het materiaalsysteem kunnen worden verbeterd. Momenteel zijn de meest bestudeerde materialen LaCrO3 en LaMnO3.
4. Hexaluminaat-systeem
De molecuulformule van de hexaaluminaatverbinding is MAl12O19 en de kristalstructuur van magnetoplumbiet wordt weergegeven in de figuur. M is een aardalkalimetaal (behalve Ba2 plus ) of een zeldzaam aardmetaal, dat wordt gevormd door afwisselende stapeling van structurele aluminiumoxide-spinel-eenheden die spiegelbeelden van elkaar zijn en spiegellagen gevormd door M-ionen. Elke eenheidscel bevat twee spinelstapels en twee kristalvlakken, elke spinelstapel bevat 64 tetraëdrische holtes en 32 octaëdrische holtes, waarvan 4 Al3 plus tetraëdrische holtes innemen en 8 Al3 plus octaëdrische holtes, die kunnen worden geïntroduceerd door doping. De overgangsmetaalionen vervangen Al3 plus in de tetraëdrische en octaëdrische holtes, zodat het stabiel bestaat in zijn roosterstructuur, die overvloedige roosterdefecten kan vormen, waardoor de infraroodstralingsprestaties worden verbeterd. Op dit moment is het typische materiaal dat is gerapporteerd lanthaanhexaaluminaat.
Ten derde, de toepassing van infrarood keramische materialen;
Op dit moment wordt de toepassing van infrarood-keramische materialen steeds wijdverbreid, of het nu gaat om de traditionele droog- en verwarmingsvelden, of op het gebied van medische zorg, bouwmaterialen voor milieubescherming, ruimtevaart en elektrische en thermische geleidbaarheidsmaterialen, er is geen gebrek van zijn bestaan.
1. Infrarood drogen en verwarmen
①Renovatie van verwarmingsapparatuur: de toepassing van infrarood-keramische materialen met hoge straling op het gebied van verwarming en energiebesparing is een van de leidende richtingen in de ontwikkeling ervan. In het hoge temperatuurstadium boven 800 graden is de warmteoverdracht voornamelijk gebaseerd op stralingswarmteoverdracht. Het borstelen van infraroodverf met hoge straling op de binnenwand van industriële verwarmingsapparatuur zal het warmteoverdrachtsproces effectief verbeteren, de efficiëntie van de warmteoverdracht van de verwarmingsapparatuur verbeteren en de energiebenutting effectief verbeteren, wat een van de effectieve energiebesparende methoden is. Keramische materialen hebben ook de voordelen van hoge temperatuurbestendigheid, oxidatieweerstand, corrosieweerstand, enz. Tegelijkertijd kunnen ze het doel bereiken om de apparatuur te beschermen en de apparatuur een langere levensduur te geven.
② Vervaardiging van infrarood bak- en droogapparatuur: infrarood is een onderdeel van elektromagnetische golven, die warmte effectief in lucht of vacuüm kunnen overbrengen. Infrarood bakken en drogen hebben een hoge warmteoverdrachtsefficiëntie en geen vervuiling. Tot op zekere hoogte kan het gelijktijdige verwarming binnen en buiten het materiaal bereiken. , Sneller bakken en drogen met minder energieverspilling. Vervaardigd met infrarood-keramische materialen met hoge straling of gemaakt door metaalpoeder te mengen met keramisch poeder met hoge straling, kan de investering in infrarood-bak- en droogapparatuur voor metaal aanzienlijke economische voordelen en een goede sociale waarde opleveren.
2. Antibacterieel materiaal
Zr, Mn, Fe, Co, Ni en hun oxiden worden toegevoegd aan de keramische grondstoffen en gebakken in porselein, dat bij kamertemperatuur ver-infraroodstralen kan uitzenden met een golflengte van 8-18 m. De infraroodstraling in deze band kan direct de celwand binnendringen en het gegenereerde thermische effect kan het metabolisme en de groei en reproductie van de bacteriën effectief vernietigen, waardoor het een bacteriedodende functie heeft. Het bewaren van groenten, fruit, sappen, enz. in verpakkingen of containers die ver-infrarood keramische materialen bevatten, kan een rol spelen bij het behouden van versheid en het remmen van bacteriën, waardoor voedselbederf wordt voorkomen.
3. Gezondheidszorg
Infraroodstraling kan worden onderverdeeld in nabij-infrarood (0,76~2,5μm) en ver-infrarood (2,5~1000μm) volgens golflengte, waarvan ver-infraroodstraling met een golflengte van 9~11μm gemakkelijk wordt geabsorbeerd door de menselijke huid en ver-infraroodstraling met een golflengte van 10 ~ 16 m. De frequentie is consistent met de natuurlijke trillingsfrequentie van de peptideketen van de organische functionele groep van het menselijk lichaam.
Wanneer de ver-infraroodstralen van de overeenkomstige golflengte naar het menselijk lichaam uitstralen, kan dit de bloedcirculatie bevorderen, de uitwisseling van stoffen in het bloed verbeteren en tegelijkertijd de productie van enzymen bevorderen die het menselijk lichaam nodig heeft, de lichaamseigen immuniteit en het vermogen van somatische weefselregeneratie. Infraroodstraling kan direct de celwand binnendringen en de toxines die door de bacteriën worden uitgescheiden, worden gemakkelijk vernietigd in deze omgeving, wat het metabolisme van de bacteriën effectief kan vernietigen en de groei en reproductie ervan kan remmen. Daarom worden ver-infrarood-keramische materialen met hoge straling vaak gebruikt voor infraroodfysiotherapie op het menselijk lichaam.
4. Bouwmaterialen
Architecturaal keramiek heeft de kenmerken van hoge sterkte, corrosieweerstand, elegant uiterlijk en wordt veel gebruikt in het huiselijke leven. Door een kleine hoeveelheid zeldzame aarde en een kleine hoeveelheid overgangsmetaaloxiden aan de keramiek of glazuren in combinatie met cordieriet en mulliet toe te voegen, kunnen bouwkeramische materialen met infraroodstralingseigenschappen bij kamertemperatuur worden gemaakt. Het gebruik van dit materiaal voor interieurdecoratie kan bij kamertemperatuur worden gebruikt. Het zendt infraroodstralen uit, die de binnenlucht effectief kunnen activeren, de leefomgeving van de mens kunnen zuiveren en een antibacterieel en gezondheidsbevorderend effect op het menselijk lichaam kunnen hebben. Het is een uitstekend milieuvriendelijk bouwmateriaal.
5. Brandstofactivering
In de afgelopen jaren is de vervuiling van de atmosferische omgeving door industrieel afvalgas en uitlaatgas van auto's steeds ernstiger geworden en is de luchtzuiveringsbehandeling over de hele wereld versterkt. Het onderzoek toont aan dat het infraroodkeramiek bij normale temperatuur wordt gebruikt als brandstofactivator, die is aangesloten op het oliecircuit in de buurt van de verbrandingsmotor, en de infraroodstralen die bij normale temperatuur worden uitgestraald, worden gebruikt om de brandstofmoleculen te activeren, de interne energie te verbeteren van de brandstofmoleculen, en verhoog de machtsprestaties, om brandstof te besparen en brandstofverbruik te verminderen. Het doel van de uitstoot van giftige gassen zoals CO en H2S in het uitlaatgas is niet alleen om de lucht te zuiveren, maar ook om de thermische efficiëntie van de brandstof te verbeteren.
Epiloog
Op dit moment krijgen keramische materialen met infraroodstraling steeds meer aandacht en hun toepassingen zijn ook uitgebreid naar het dagelijks leven van mensen. Met de daaropvolgende ontwikkeling van keramische materialen met infraroodstraling in drie aspecten: nanometerisatie, composietsamenstelling en prestatiediversificatie, wordt aangenomen dat het meer potentieel zal hebben om te worden aangeboord.
