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1、红外材料红外材料 红外材料是指与红外线的辐射、吸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。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介绍红外辐射材料主要内容主要内容1.1 红外线的基本规律红外线的基本规律1.2 红外辐射材料红外辐射材料1.1 1.1 红外线的基本规律红外线的基本规律1.普朗克定律和维恩定律普朗克定律和维恩定律2.斯蒂芬一玻尔兹曼定律斯蒂芬一玻尔兹曼定律3.基尔霍夫定律基尔霍夫定律4.朗伯定律朗伯定律红外线红外线红外线是英国赫舍尔在红外线是英国赫舍尔在1800年发现的。它本质上年发现的。它本质上和可见光一样是一种和可见光一样是一种电磁波电磁波，
2、波长在，波长在0.761000um之之间。间。 红外线的辐射起源于红外线的辐射起源于分子的振动和转动分子的振动和转动，而分子，而分子振动和转动起源于振动和转动起源于温度温度。所以在。所以在0K以上的温度下，以上的温度下，一切物体均可辐射红外线，故红外线是一种一切物体均可辐射红外线，故红外线是一种热辐热辐射射，有时也叫它，有时也叫它热红外热红外。 红外线分类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影响，将它分为四个光谱区:0763um为近红外；为近红外；36um为中红外区；为中红外区；615um为远红外区，为远红外区，
3、151000um为极远红外区。为极远红外区。不同学科有不同的划分方法。不同学科有不同的划分方法。1.1.普朗克定律和维恩定律普朗克定律和维恩定律 在在0 K时，时，M趋于零。在一定绝对温度范围内，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，又随波长增加随波长增加而上升，达到最大值后，又随波长增加而下降。而下降。M黑体黑体辐射出的能量密度射出的能量密度C1:3.1710-6C2:1.4410-2T:绝对温度绝对温度能能量量密密度度 (104 cm)0510Planck 线线2.2.斯蒂芬一玻尔兹曼定律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，等于黑体的辐射
4、常数，或称斯蒂芬一玻尔兹曼常数，等于5.6710-8W/m2K4M:黑体的辐射出射度：单位面积发射的能通量（黑体的辐射出射度：单位面积发射的能通量（Wm2）辐射出射度辐射出射度与与绝对温度绝对温度的四次方成比关系的四次方成比关系 该定律可用于该定律可用于任何热辐射体任何热辐射体发射率射率3.3.基尔霍夫定律基尔霍夫定律确定了物体确定了物体出射度出射度M和和吸收率吸收率之间的联系，即：之间的联系，即： M1/1=M2/2=M3/3= Mm/= M=f(T)说明：任何热辐射体的说明：任何热辐射体的辐射出射度辐射出射度和和吸收率吸收率之比相同并恒之比相同并恒等于黑体的辐射出射度，且只和等于黑体的辐射
5、出射度，且只和温度温度有关。有关。=表明：若物体对某种波长的辐射有很强的表明：若物体对某种波长的辐射有很强的吸收能力吸收能力，则它，则它对这种辐射的对这种辐射的发射能力发射能力也很强。也很强。4.4.朗伯定律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：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一定方向上单位面积单位立体角内的辐射能通量辐射能通量与该与该方向同表面法线方向的夹角的余弦成正比。方向同表面法线方向的夹角的余弦成正比。1.2 1.2 红外辐射材料红外辐射材料工程上，红外辐射材料是指能工程上，红外辐射材料是指能吸收热辐射吸收热辐射而而发射大量
6、红外发射大量红外线线的材料。的材料。红外辐射材料可分为红外辐射材料可分为热型、热型、“发光发光”型、热型、热“发光发光”混混合型合型三类。三类。红外加热技术主要采用红外加热技术主要采用热型热型红外辐射材料。红外辐射材料。 红外辐射材料相关概念红外辐射材料相关概念一、发射率一、发射率二、影响材料发射率的因素二、影响材料发射率的因素三、红外辐射材料的种类三、红外辐射材料的种类四、红外辐射材料的应用四、红外辐射材料的应用一、发射率一、发射率红外辐射材料的辐射特性决定于材料的红外辐射材料的辐射特性决定于材料的温度温度和和发射率发射率。发射率发射率是红外辐射材料的重要特征值，它是相对于是红外辐射材料的重
7、要特征值，它是相对于热平衡热平衡辐射体辐射体的概念。的概念。 热平衡辐射体热平衡辐射体是当一个物体向周围发射辐射时，同时也吸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。可以看作是平衡。 发射率（发射率（）和光谱发射率）和光谱发射率（）把把实际物体实际物体发射的发射的辐射出射度辐射出射度和同一温度下和同一温度下黑体黑体发射的发射的辐辐射出射度射出射度之比定义为之比定义为发射率发射率，也称，
8、也称全发射率全发射率。 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出射度之比定义为光谱发射率光谱发射率（），也称为），也称为单色发射率单色发射率。发射率发射率与波长无关与波长无关的物体称为的物体称为灰体灰体；随波长变化而改变发射率的物体称为随波长变化而改变发射率的物体称为选择性辐射体选择性辐射体。 黑体黑体灰体灰体选择性选择性辐射体辐射体00.51.0( ()三类辐射体的单色发射率三类辐射体的单色发射率法向发射率法向发射率n n垂直于垂直于辐射表面辐射表面的发射率的发射率 ，称为法向发射率，称为法向发射率n 二、影响材料
9、发射率的因素二、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。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电子的跃迁有关有关，在长波段则与其，在长波段则与其晶格振动特性有关晶格振动特性有关。 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因之，组成材料的元素、化学键形式、
10、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。都将对材料的发射率发生影响。 影响发射率的因素影响发射率的因素 1材料本身结构材料本身结构 2辐射波长辐射波长 3原材料预处理工艺原材料预处理工艺 4温度温度5. 表面状态表面状态6材料的体因素材料的体因素 7工作时间工作时间 1 1材料本身结构材料本身结构一般地，一般地，金属导电体金属导电体的的值较小值较小，电介质材料电介质材料的的值较高值较高。存在这种差异的原因与构成金属和电介质材料的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带电粒子及其及其运动特性运动特性直接有关。带电粒子的特性不同，材料的电直接有关。带电粒子的特性不同，材料
11、的电性和发射红外辐射的性能就不一样，而这往往与材料的性和发射红外辐射的性能就不一样，而这往往与材料的晶晶体结构体结构有关。有关。氧化铝氧化铝、氧化硅氧化硅等电介质材料属于等电介质材料属于离子型晶体离子型晶体 碳化硅碳化硅、硼化锆硼化锆、氮化锆氮化锆等材料属于等材料属于共价晶体共价晶体 铝等铝等金属晶体金属晶体的结构是的结构是正离子晶格正离子晶格由由自由电子自由电子把它们约束把它们约束在一起。在一起。 2 2辐射波长辐射波长多数红外辐射材料，其发射红外线的性能，在多数红外辐射材料，其发射红外线的性能，在短波短波主要与主要与电子电子在价带在价带至导带间的至导带间的跃迁跃迁有关（绝缘体有关（绝缘体9
12、eV，半导体，半导体1-3eV）；在）；在长波长波段主要与段主要与晶格振动晶格振动有关。晶格振动频率取决于有关。晶格振动频率取决于晶体结构晶体结构、组成晶体的元素的、组成晶体的元素的原原子量子量及及化学键特性化学键特性。 纯纯SiC的单色发射率与波的单色发射率与波长的关系长的关系 3 3原材料预处理工艺原材料预处理工艺同一种原材料因同一种原材料因预处理工艺条件预处理工艺条件不同而有不同的发射率值。不同而有不同的发射率值。经经700空气气氛空气气氛处理与经处理与经1400煤气气氛煤气气氛处理的氧化钛处理的氧化钛的常温发射率分别为的常温发射率分别为081和和086 。 4 4温度温度电介质材料的发
13、射率较电介质材料的发射率较金属大得多，有些随温金属大得多，有些随温度升高而降低，有些随度升高而降低，有些随温度的升高而有温度的升高而有复杂的复杂的变化变化。5.5.表面状态表面状态一般说来，材料一般说来，材料表面愈粗糙表面愈粗糙，其，其发射率值愈大发射率值愈大（暖气片表（暖气片表面不光滑）面不光滑） 红外线在金属表上的反射性能与红外线在金属表上的反射性能与红外线波长对表面不平红外线波长对表面不平整度的相对大小整度的相对大小有关，与金属表面上的有关，与金属表面上的化学特征化学特征(如油脂如油脂玷污、附有金属氧化膜等玷污、附有金属氧化膜等)和和物理特征物理特征(如气体吸附、晶格如气体吸附、晶格缺陷
14、及机械加工引起的表面结构改变等缺陷及机械加工引起的表面结构改变等)有关。有关。 6 6材料的体因素材料的体因素 材料的体因素包括材料的材料的体因素包括材料的厚度厚度、填料的粒径填料的粒径和和含量含量等等。对某些材料，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。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原因是红外线能量在传播过程中材料的吸收材料的吸收所致。所致。随着玻璃厚度的增加，发射率增大。随着玻璃厚度的增加，发射率增大。7 7工作时间工作时间在工作条件下，由于与在工作条件下，由于与环境介质环境介质发生相互作用或其
15、它物理化学变化，发生相互作用或其它物理化学变化，从而引起从而引起成分及结构的变化成分及结构的变化，将使材料的发射率改变。，将使材料的发射率改变。 温度温度未处理前未处理前经经1000、50h50h处理后处理后4000.710.805000.700.796000.690.787000.670.778000.650.759000.630.75一种高温搪瓷的发射率一种高温搪瓷的发射率常用的常用的发射率较高发射率较高的红外辐射材料有的红外辐射材料有碳碳、石墨石墨、氧化物氧化物、碳化物碳化物、氮化物氮化物以及以及硅化物硅化物等。等。 红外辐射红外辐射搪瓷搪瓷、红外辐射、红外辐射陶瓷陶瓷以及红外辐射以及红
16、外辐射涂料涂料等是一般等是一般红外辐射材料通常使用形式。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涂料通常涂敷在热物体表面构成红外辐射体红外辐射体。红。红外辐射涂料中一般都选用在外辐射涂料中一般都选用在工作温度范围内工作温度范围内发射率高发射率高的材的材料。红外辐射涂料由辐射材料的粉末与粘接剂（无机）等料。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。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部分红外辐射涂料的性能及规格名称名称型号型号法向发射率法向发射率使用温度使用温度适用基体适用基体氧化铁氧化铁HS-1-10.8860600陶
17、瓷陶瓷氧化铬氧化铬HS-2-10.81锆质陶瓷锆质陶瓷HS-3-1-特质氧化铁特质氧化铁HS-1-20.8560600陶瓷、金属陶瓷、金属特质氧化铬特质氧化铬HS-2-20.86锆质陶瓷锆质陶瓷HS-3-20.84特质碳化硅特质碳化硅HS-4-20.87碳化硼碳化硼HK-B-60600陶瓷、金属陶瓷、金属氧化铁氧化铁HY-10.8260600陶瓷陶瓷氧化铬氧化铬HY-20.83锆英粉锆英粉HY-30.89碳化硅碳化硅HY-40.85四、红外辐射材料的应用四、红外辐射材料的应用1用于热能利用方面用于热能利用方面 (1)红外加热。红外加热。 (2)作为耐火材料。作为耐火材料。 2用于航天领域用于航
18、天领域3用于军事目的用于军事目的(1)防红外伪装涂层防红外伪装涂层 (2)红外诱饵器红外诱饵器。 防红外伪装涂层防红外伪装涂层 红外伪装的最基本原理是红外伪装的最基本原理是降低降低和和消除消除目标目标和和背景背景的的辐射差辐射差别别，以降低目标被发现和识别的可能性。近红外伪装涂层，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要求目标与背景的光谱反射率尽可能接近光谱反射率尽可能接近；中、远红外伪；中、远红外伪装涂层则一般采用装涂层则一般采用低发射率低发射率涂层材料，以弥补二者的涂层材料，以弥补二者的温度温度差异差异。红外诱饵器红外诱饵器 红外诱饵器作为对付红外制导导弹的一种对抗手段，正受红外诱饵器作为对付红外制导导弹的一种对抗手段，正受到重视。若采用固体热红外假目标到重视。若采用固体热红外假目标(诱饵诱饵)，在表面涂上，在表面涂上高高发射率发射率涂层，则能提高诱饵的红外辐射强度，从而涂层，则能提高诱饵的红外辐射强度，从而提高假提高假目标的有效性目标的有效性。选择不同辐射频率的材料作成的红外诱饵。选择不同辐射频率的材料作成的红外诱饵器可以模拟各种武器装备的红外辐射特征，更好地发挥红器可以模拟各种武器装备的红外辐射特征，更好地发挥红外诱饵假目标的作用。外诱饵假目标的作用。
