1800年，英國天文學(xué)家威廉·赫舍爾（W.Herschel）發(fā)現(xiàn)通過玻璃棱鏡折射的可見光譜的紅色譜帶外存在一種不可見的“具有最大加熱能力的射線”，隨后法國物理學(xué)家白克蘭把這種輻射稱之為紅外輻射。

輻射是物體的固有屬性，一切高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)發(fā)生紅外輻射。紅外輻射是一種波長(zhǎng)在0.75~1000μm電磁光譜，既具有波動(dòng)性又具有粒子性，既遵循波動(dòng)規(guī)律，也遵循量子規(guī)律，可被紅外輻射材料吸收和發(fā)射。

近年來，紅外輻射傳熱技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，世界能源的危機(jī)加劇更是促進(jìn)了它在民用領(lǐng)域的興起，而強(qiáng)化輻射傳熱技術(shù)的關(guān)鍵，就在于高紅外輻射材料的選擇。目前，紅外輻射陶瓷材料因具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，高溫穩(wěn)定性及優(yōu)良的紅外輻射性能，已是最常用的紅外輻射材料之一。

一、紅外輻射產(chǎn)生機(jī)制

紅外輻射源于組成材料的分子、原子或離子體系內(nèi)部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化。量子理論研究表明，物質(zhì)吸收和發(fā)射紅外光的實(shí)質(zhì)是分子偶極矩的變化與光的振蕩電場(chǎng)相互作用的結(jié)果。相關(guān)研究表明，短波輻射與電子躍遷密切相關(guān)，長(zhǎng)波輻射則主要取決于晶格的振動(dòng)特性，分子發(fā)生振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)伴隨偶極矩的變化所產(chǎn)生的輻射是材料發(fā)生輻射的原因。根據(jù)對(duì)稱性原則：粒子振動(dòng)時(shí)的對(duì)稱性越低，偶極矩的變化就越大，其紅外輻射性能就越強(qiáng)。

依據(jù)產(chǎn)生機(jī)制的不同，紅外輻射可分為這三個(gè)區(qū)域

大多數(shù)紅外輻射陶瓷材料是由多原子組成的大分子物質(zhì)，多離子體系在振動(dòng)過程中容易改變分子的對(duì)稱性而使偶極矩發(fā)生變化，促進(jìn)紅外線的吸收和發(fā)射。材料的紅外輻射特性與材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶格缺陷以及所含雜質(zhì)密切相關(guān)，因此通過調(diào)整晶格振動(dòng)頻率、使晶格發(fā)生畸變和進(jìn)行化學(xué)摻雜是改善材料紅外輻射性能的關(guān)鍵。

二、紅外輻射陶瓷的分類

當(dāng)前對(duì)于高紅外輻射率陶瓷材料的研究，主要包括以下幾個(gè)體系: 堇青石體系、尖晶石體系、鈣鈦礦體系、磁鉛礦體系等。

1、堇青石體系

堇青石材料由于具有熱膨脹系數(shù)小，熱穩(wěn)定性好，紅外輻射性能優(yōu)異等特點(diǎn)而成為研究重點(diǎn)。它具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽結(jié)構(gòu)，為六方晶系。其基本單元是由5個(gè)［SiO₄］和1個(gè)［AlO₄］組成的六元環(huán)構(gòu)成，環(huán)與環(huán)之間由［MgO₆］八面體與［AlO₄］相連接，在平行于C軸方向存在由六圓環(huán)圍成的空腔。

堇青石結(jié)構(gòu)立體圖

上圖所示的為堇青石結(jié)構(gòu)立體圖(氧原子忽略，節(jié)點(diǎn)處分別為Si⁴⁺，Al³⁺，Mg²⁺)。由于其結(jié)構(gòu)不致密，異質(zhì)離子易于進(jìn)入堇青石六元環(huán)結(jié)構(gòu)通道或取代部分基質(zhì)離子(如Mg²⁺)，降低晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，發(fā)生晶格畸變，從而使堇青石陶瓷材料的紅外輻射性能得以提升。當(dāng)前已見報(bào)道取代Mg²⁺的異質(zhì)離子有Fe²⁺、(Li_1/2 Al_1/2)²⁺、Tm³⁺、Zn²⁺、Ti⁴⁺等。

2、尖晶石體系

尖晶石型晶體屬于立方晶系，化學(xué)分子式為AB₂O₄，晶體結(jié)構(gòu)見下圖所示。A代表二價(jià)金屬離子，如Mg²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺等；B代表三價(jià)金屬離子，如Al³⁺、Cr³⁺、Fe³⁺等。每個(gè)尖晶石晶胞有64個(gè)四面體空隙與32個(gè)八面體空隙，這些空隙易于被其他金屬離子取代或填充，可以實(shí)現(xiàn)金屬離子的擴(kuò)散以及摻雜改性，這就為提高尖晶石體系材料的紅外輻射性能提供了有利條件。

尖晶石型晶體結(jié)構(gòu)及A、B 位離子在晶體結(jié)構(gòu)中的位置

3、鈣鈦礦體系

鈣鈦礦型化合物分子式為ABO3，晶體結(jié)構(gòu)如圖所示，其中A位是稀土或堿土金屬離子，通常起穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用；B位為過渡金屬離子，A、B位離子皆可被半徑相近的金屬離子取代形成陰離子缺陷或不同價(jià)態(tài)的B位離子，從而增強(qiáng)自由載流子吸收與晶格震動(dòng)吸收，使該材料體系的紅外輻射性能得以強(qiáng)化。目前研究較多的為L(zhǎng)aCrO₃與LaMnO₃材料。

鈣鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)

4、六鋁酸鹽體系

六鋁酸鹽化合物分子式為MAl₁₂O₁₉，磁鉛礦型晶體結(jié)構(gòu)如圖所示。M為堿土金屬（Ba²⁺除外）或稀土金屬，由互成鏡像的氧化鋁尖晶石結(jié)構(gòu)單元和M離子形成的鏡面層交替堆積而成，每個(gè)晶胞中含有兩個(gè)尖晶石堆垛與兩個(gè)晶面，每一個(gè)尖晶石堆垛中含有64個(gè)四面體空隙與32個(gè)八面體空隙，其中4個(gè)Al³⁺占據(jù)四面體空隙，8個(gè)Al³⁺占據(jù)了八面體空隙，可以通過摻雜引入合適的過渡金屬離子取代四面體與八面體空隙中的Al³⁺，使之穩(wěn)定存在于其晶格結(jié)構(gòu)中，可形成豐富的晶格缺陷，從而使紅外輻射性能得到強(qiáng)化。目前，已見報(bào)道的典型材料為六鋁酸鑭。

磁鉛礦型六鋁酸鹽的晶體結(jié)構(gòu)

三、紅外陶瓷材料的應(yīng)用

目前，紅外陶瓷材料的應(yīng)用日益廣泛，無論是傳統(tǒng)的干燥加熱領(lǐng)域，還是醫(yī)療保健、環(huán)保建材、航天航空、導(dǎo)電導(dǎo)熱材料領(lǐng)域，都不乏它的存在。

1、紅外干燥和加熱

①改造加熱設(shè)備：高輻射紅外陶瓷材料在加熱節(jié)能領(lǐng)域中的應(yīng)用是其發(fā)展的主導(dǎo)方向之一。在800℃以上的高溫階段，熱量傳遞主要以輻射傳熱為主。在工業(yè)加熱設(shè)備內(nèi)壁上涂刷高輻射紅外涂料，將有效地改善傳熱過程，提高加熱設(shè)備的傳熱效率，有效提高能量利用率，是行之有效的節(jié)能方法之一。陶瓷材料還具有耐高溫、抗氧化，耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的，使設(shè)備使用壽命更長(zhǎng)。

陶瓷遠(yuǎn)紅外輻射涂層應(yīng)用示意圖

②制造紅外烘烤和干燥設(shè)備：紅外線是電磁波的一部分，在空氣或真空中都能有效地傳遞熱量，紅外烘烤和干燥熱傳遞效率高而且無污染，在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)物料內(nèi)外同時(shí)加熱,加快烘烤和干燥速度，而且能量耗散少。用高輻射紅外陶瓷材料制造或者是由金屬粉末與高輻射陶瓷粉末混合制成金屬紅外烘烤干燥設(shè)備投入可帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)價(jià)值。

2、抗菌材料

在陶瓷原料中添加Zr、Mn、Fe、Co、Ni及其氧化物等燒制成瓷，在常溫下能發(fā)射出8~18μm波長(zhǎng)的遠(yuǎn)紅外線。該波段的紅外輻射能夠直接穿透細(xì)胞壁，產(chǎn)生的熱效應(yīng)能夠有效破壞菌體的新陳代謝和生長(zhǎng)繁殖，從而具有殺菌功能。用含遠(yuǎn)紅外陶瓷材料的包裝或容器保存蔬菜、水果、果汁等能起到保鮮抑菌的作用，防止食品腐敗變質(zhì)。

3、醫(yī)療保健

紅外輻射可按波長(zhǎng)細(xì)分為近紅外(0.76~2.5μm)和遠(yuǎn)紅外(2.5~1000μm)，其中波長(zhǎng)9~11μm的遠(yuǎn)紅外輻射容易被人體皮膚所吸收，波長(zhǎng)為10~16μm的遠(yuǎn)紅外輻射的頻率與人體有機(jī)官能團(tuán)肽鏈的固有振動(dòng)頻率相一致。

當(dāng)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的遠(yuǎn)紅外線輻射人體時(shí)可促進(jìn)血液循環(huán)，增強(qiáng)血液的物質(zhì)交換,同時(shí)促進(jìn)人體需要的酵素生成，增強(qiáng)機(jī)體免疫力和體細(xì)胞組織再生能力。紅外輻射能直接穿透細(xì)胞壁，細(xì)菌體分泌的毒素在此環(huán)境下容易受到破壞，可有效破壞菌體的新陳代謝和抑制其生長(zhǎng)繁殖。因此，高輻射遠(yuǎn)紅外陶瓷材料常被用于對(duì)人體進(jìn)行紅外理療。

紅外理療產(chǎn)品深受保健人士喜愛

4、建筑材料

建筑陶瓷具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、大方美觀的特點(diǎn)，在家居生活中的應(yīng)用十分廣泛。在陶瓷或者釉料中添加少量的稀土和微量的過渡金屬氧化物與堇青石、莫來石等復(fù)合可制備在常溫下具有紅外輻射性能的建筑陶瓷材料，利用該材料進(jìn)行室內(nèi)裝潢，可在常溫下發(fā)射紅外線，能夠有效活化室內(nèi)空氣，凈化人類居住生活環(huán)境，對(duì)人體起到抗菌、保健的作用，是一種優(yōu)良的環(huán)境友好型建筑材料。

5、燃料活化

近幾年，工業(yè)廢氣和汽車尾氣對(duì)大氣環(huán)境的污染日趨嚴(yán)重，世界各地都紛紛加強(qiáng)對(duì)空氣的凈化處理。研究表明，采用常溫紅外陶瓷作為燃料活化器，接入靠近內(nèi)燃機(jī)的油路中，利用其常溫下輻射的紅外線使燃油分子活化，提高燃油分子的內(nèi)能，增加動(dòng)力性能，從而達(dá)到節(jié)油和減少尾氣中CO、H₂S等有毒氣體排放的目的，不僅凈化了空氣，還提高了燃油的熱效率。

結(jié)語

目前紅外輻射陶瓷材料已經(jīng)獲得越來越多的關(guān)注，其應(yīng)用也已經(jīng)擴(kuò)展到了人們的日常生活中。但隨著之后紅外輻射陶瓷材料向納米化、成分復(fù)合化及性能多樣化三方面發(fā)展，相信它還會(huì)有更多的潛力被挖掘出來，。

資料來源：

高紅外輻射陶瓷材料的研究進(jìn)展，王峰，錢學(xué)強(qiáng)，李小偉，韋國靜，韓召，葉建，陳義祥，李江濤。

高輻射紅外陶瓷材料的研究進(jìn)展及應(yīng)用，王黔平，郭相雄，王若鑫，張家生，吳衛(wèi)華。

紅外輻射陶瓷材料的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)，戴永剛，羅鳳鉆，高張海。

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