材料微结构对红外发射率的影响
混凝土中红外线辐射特性的研究与应用
混凝土中红外线辐射特性的研究与应用
1. 引言
混凝土是建筑工程中常用的材料之一，具有优越的力学性能和耐久性。然而，在一些特殊应用场景下，混凝土中的温度变化成为一个重要的
考虑因素。了解混凝土中红外线辐射特性对于设计和维护具有关键意义。本文将探讨混凝土中红外线辐射的研究及其在工程中的应用。
2. 混凝土中红外线辐射的基本原理
混凝土作为一种多孔材料，其内部包含许多细小的孔洞和孔隙。当混
凝土暴露在外部环境下时，其表面受到太阳辐射的照射。这些辐射能
够被混凝土吸收，并以热能的形式传导到内部。混凝土中的水分和空
气孔隙会影响红外线辐射的吸收和传导。混凝土中红外线辐射的特性
与其材料组成和内部结构密切相关。
3. 混凝土中红外线辐射的实验研究
为了深入了解混凝土中红外线辐射的特性，许多研究进行了实验测量。这些研究通常使用红外线测温仪和热像仪等设备，对混凝土表面的温
度进行实时监测。通过实验可以得到混凝土的辐射特性参数，如热反
射率、热发射率和热吸收率等。
实验研究表明，混凝土的红外线辐射特性受到多个因素的影响。水分含量对混凝土的热辐射特性有着重要影响。当混凝土中的水分含量较高时，其红外线辐射能力较低。孔隙结构和表面粗糙度也会影响辐射特性。孔隙结构复杂的混凝土表面具有较大的红外线辐射能力。混凝土中掺入红外线吸收剂和红外线反射剂等添加剂也可以改变其辐射特性。
4. 混凝土中红外线辐射特性的应用
混凝土中红外线辐射特性的研究不仅在学术领域有重要价值，而且在工程实践中也具有广泛应用。以下是一些常见的应用案例：
4.1 温度监测与控制
提高热辐射的方法-概述说明以及解释
提高热辐射的方法-概述说明以及解释
1.引言
1.1 概述
热辐射是物体在温度高于绝对零度时发出的一种电磁波辐射，它是固体、液体和气体的分子、原子等在运动时发出的能量以光波的形式辐射出去。提高热辐射的效率对于应用领域具有重要意义，可以在太阳能利用、节能减排、工业生产等方面发挥重要作用。本文将探讨几种提高热辐射效率的方法，包括选择合适的材料、设计有效的表面结构以及控制热辐射的传播路径，以便为研究和应用提供参考。
1.2 文章结构
文章结构部分主要介绍了本文的组织结构和各个部分的内容概要。具体包括引言部分的概述、文章结构和目的，正文部分的选择合适的材料、设计有效的表面结构和控制热辐射的传播路径三个部分，以及结论部分的总结提高热辐射的方法、应用前景展望和结论。通过文章结构的呈现，读者可以清晰地了解本文内容的组织架构，有助于对整篇文章的理解和阅读。
1.3 目的：
本文旨在探讨提高热辐射效率的方法，通过选择合适的材料、设计有效的表面结构以及控制热辐射的传播路径，来提高热辐射的能量转换效率。通过深入研究热辐射的特性和影响因素，希望能为提高热辐射在工程应用中的效果提供参考，促进热辐射技术的进步和创新。同时，通过本文的研
究成果，为相关领域的科研人员提供一些有益的思路和方法，推动热辐射技术在各个领域的应用和发展。
2.正文
2.1 选择合适的材料
在提高热辐射效果时，选择合适的材料至关重要。材料的热传导性和辐射特性直接影响着热辐射的效果。以下是一些常见的提高热辐射效果的材料选择方法：
1. 高发射率材料：选择具有高辐射率的材料可以提高材料的热辐射效果。常见的高发射率材料包括铝，镍，钽等金属材料。
C_C复合材料的光谱发射率研究
第29卷,第11期 光谱学与光谱分析Vol 129,No 111,pp290922913
2009年11月 Spectroscopy and Spectral Analysis November ,2009
C/C 复合材料的光谱发射率研究
朱 波1,曹伟伟1,井 敏2,董兴广1,王成国1
11山东大学材料科学与工程学院高分子材料研究所碳纤维中心,材料液态结构及其
遗传性教育部重点实验室,山东济南 250061
21山东建筑大学材料科学与工程学院,山东济南 250101
摘 要 采用模压成型法制备了不同类型的C/C 复合材料,测试了其法向光谱发射率的变化。结果表明,短切碳纤维增强的C/C 复合材料,其法向光谱发射率在整个2500～13000nm 的测试波段内普遍要高于碳
布增强复合材料样品。短切碳纤维结构的相对松散,单位体积内物质的粒子数相对较少,这增加了电磁波的穿透深度,从而使得样品的法向光谱发射率较高,热辐射特性较好。纤维预制体和C/C 复合材料样品的法向光谱发射率测试对比可知,两种不同碳材料的微结构差异使得树脂碳的法向光谱发射率优于纤维碳。利
用Raman 光谱对不同碳物质进行物相分析表明,树脂碳以s p 3和s p 2
杂化态碳原子的混合结构使其内部产生的局域振动模式较多,这也是样品法向光谱发射率较高,热辐射特性较好的原因。
关键词 C/C 复合材料;光谱发射率;树脂碳中图分类号:TB332 文献标识码:A DOI :1013964/j 1issn 1100020593(2009)1122909205
光辐射吸收材料表面形貌与吸收率关系研究_苏法刚
高的材料 . 实 现 如 此 高 的 吸 收 率， 是因为材料表面 结构对光的俘获作 用， 使得入射光难以再逸出材料 — — 控制材料 表 面 形 貌， 成为提高辐射吸收率 表面 — 的另一个 有 效 途 径 . 本 文 将 通 过 光 线 追 迹 的 方 法， 探讨常见 不 同 类 型 吸 收 材 料 的 表 面 对 于 光 吸 收 率 的提升能力， 找出不 同 表 面 对 于 光 吸 收 率 提 升 的 共 性特征， 以指导在要 求 有 较 高 吸 收 率 的 应 用 领 域 吸 收材料表面微结构的设计与制备 .
［ 11 ］
， 后者是目前吸收率最
太阳辐射是地 球 能 量 的 主 要 来 源， 其探测及吸 收利用对人类社会 及 地 球 生 态 环 境 具 有 重 要 意 义 . 太阳辐射 吸 收 材 料 的 辐 射 能 转 化 效 率 直 接 决 定 了 探测的精度和辐射 能 的 利 用 率， 科研工作者一直致 力于寻找提高太阳辐射吸收率的材料与方法 . 太阳辐射 99. 9% 以 上 的 能 量 都 集 中 在 0. 2 —3 μ m 的波段内， 为了在如此宽的波长范围内实现高 效、 一致的 吸 收， 通常利用辐射热效应先将光能转 化为热能， 再将热能 转 化 成 电 能 . 辐 射 电 效 应 （ 光 伏 光电导 效 应 和 光 电 子 发 射 效 应 ） 因 其 响 应 依 效应 、 赖于波长， 难以应用 于 对 太 阳 辐 射 的 高 效 吸 收 利 用 或者精确探测
第七章 新型功能材料
(2)红外辐射材料的应用
红外辐射材料在热能利用方面可用作红外加热、 耐火材料等。红外加热与干燥是指利用热辐射所 发射出来的红外线，照射到物体上并被吸收后转 换成热能，从而达到加热、干燥的目的。高发射 率红外辐射涂层属于不定形耐火材料中的一种， 一般被涂于加热炉的炉衬耐火砖或耐火纤维毡的 表面，也可涂于测温套管、烧嘴砖等表面，将十 分有利于热能的利用。 在航天领域，航天器用红外辐射涂层是一种高 温高发射率涂层，涂在航天器蒙皮表面上作为辐 射防热结构。
目前实用的半导体陶瓷可分为以下三种： ① 主要利用晶体本身性质：负温度系数热敏电阻、高温热 敏电阻、氧化传感器。 ②主要利用晶界和晶粒析出相性质的：正温度系数热敏电阻、 ZnO系压敏电阻。 ③ 主要利用表面性质的：各种氧化传感器、温度传感器。
⑥ 材料的体因素对发射率的影响 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被材 料吸收所致。 ⑦ 材料的发射率随工作时间而变化 在工作条件下，由于与环境介质发生相互作用或其他物理 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。
(2) 半导体微结构材料
半导体异质结、超晶格和量子阱材料统称为半导体微结构 材料。由两种不同半导体材料所组成的结，称为异质结。两 种或两种以上不同材料的薄层周期性地交替生长，构成超晶 格。当两个同样的异质结背对背接起来，构成一个量子阱。
纳米材料结构与性能
纳米材料结构与性能
摘要
纳米材料具有的独特的物理和化学性质，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。本文简要介绍了纳米材料在结构与性能方面的一些独特的性质，包括其物理效应以及物理化学性质。
关键字：纳米材料，效应，特性
1. 纳米材料
纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级（通常指1~100 nm）的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲，纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料（纳米微粒），一维材料（直径为纳米量级的纤维），二维材料（厚度为纳米量级的薄膜与多层膜），以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲，则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体（体材料与微粒膜）0 一般零维纳米材料有纳米颗粒、量子点等，一维纳米材料有纳米线、纳米棒、纳米管、纳米带等，二维纳米材料主要是纳米薄膜。实际研究当中还有一些材料比如象介孔材料、多孔材料、以及具有特殊结构的材料，它们整体在三维方向都超过了纳米范围，但是它们都是有纳米材料构成，并且具有纳米材料的性质，因此由纳米材料组成的块体材料也属于纳米材料的范围⑴。
2. 纳米材料的微观结构
纳米级的颗粒是由数目极少的原子或分子组成的原子群或分子群，是一种典型的介观系统。纳米晶粒内部的微观结构与粗晶材料基本相同，从结构上看，它是由两种组元构成的，即材料的体相组元晶体原子和界面组元晶界。纳米材料突出的结构特征是晶界原子的比例很大，当晶粒尺寸为10 nm时，一个金属纳米晶内的界面可达6X1025 m2,晶界原子达15% ~50%[2]。
红外线干涉频谱测量方法总结
红外线干涉频谱测量方法总结
概述：
红外线干涉频谱测量是一种常用于研究材料物性和分析有机分子结构的非破坏性分析技术。这种技术可以通过测量材料在红外光谱范围内的吸收和发射情况，获取关于材料的结构、组分和性质的丰富信息。本文将对红外线干涉频谱测量方法进行总结。
一、传统的干涉频谱测量方法
1. 波数抖动法
波数抖动法是一种常用的红外光谱测量方法。该方法通过改变光源的频率，并记录样品的反射或透射光强，进而得到波数和光强之间的关系。然后，将测得的数据与参考样品进行比较，得到样品的光谱信息。
2. 样品一致性法
样品一致性法利用样品与参考样品之间的干涉效应来测量样品的频谱。在该方法中，通过测量样品相对于参考样品的干涉条纹，得到样品的频谱信息。
3. 光程差法
光程差法是一种基于样品中光束干涉的测量方法。它利用了样品的折射率与光程差之间的关系。通过测量干涉条纹的变化，可以得到材料的光谱信息。
二、近年来的新兴干涉频谱测量方法
1. 自相关红外频谱成像
自相关红外频谱成像是一种通过对样品进行扫描来获取红外光谱信息的方法。它不需要特殊的光学器件，只需使用标准的红外光源和探测器。该方法具有快速、非接触和高分辨率的特点，适用于材料的成分分析和显微成像。
2. 干涉红外光谱显微镜
干涉红外光谱显微镜是一种将干涉技术与红外光谱测量相结合的方法。它可以在显微镜下观察红外光谱的变化，从而实现对样品微区域的红外光谱分析。该方法可用于研究材料的微观结构和成分分布。
3. 微红外光谱成像
微红外光谱成像是一种基于红外光谱的显微成像方法。它通过对样品的每个像素点进行红外光谱测量，从而获取样品的
【精品】微纳结构在光电功能器件方面的应用研究
微纳结构在光电功能器件方面的应用研究
可行性报告
一、立项必要性
近年来，随着绿色能源概念的提出，对于太阳能、风能、生物能源的利用需求促使人们为提高能量利用率而对器件结构、材料提出更高的要求，其中对于光能的利用涉及到光电功能器件的高效发射、传输、转换、接收与探测光子信号的过程，器件类型包括发光二极管（LED），光学波导，太阳能电池，可见及红外光探测器等，器件结构设计与优化对于性能的提高起到非常重要的作用。近年来在器件结构优化的过程中经常用到二维微纳米周期阵列结构，用来增加对于光线的调控，均取得了较好的效果，如：
1.用于LED的“表面粗化技术”和“蓝宝石图形化衬底技术”。LED芯片在制
作过程中，通常会遇到由于界面及表面折射率差过大而影响到光线出射的问题，从而影响到LED外量子效率的提高，通常采用的结构改进方法为表面粗化与蓝宝石图形化衬底技术（PSS）等，分别在外延片顶部与衬底表面采用光刻+刻蚀等工艺制作二维周期性结构，一方面能够有效改善LED表面结构对称性，增加出光几率，另一方面，还能够通过侧向外延等手段，有效地减少衬底与外延层晶格失配，达到减少位错密度，改善晶体质量的效果。
2.用于太阳能电池硅材料表面及其封装玻璃表面的二维周期阵列结构。为了增
加太阳能电池对于光线的吸收，减少材料表面的反射，通过微纳结构设计，并采用严格耦合波分析（RCWA）仿真，能够得到高吸收、低反射的二维周期结构。如通过各向异性腐蚀、飞秒脉冲激光等硅表面微加工技术制作的“黑硅”表面，具有周期性，微纳尺寸的“小金字塔”结构，在250nm—2500nm 的宽光谱范围都具有超高效率的吸收。在封装玻璃表面通过光刻结合蚀刻的技术，或者通过微纳尺寸小球的自组装技术获得类似“蛾眼”结构，能够形成折射率从玻璃到空气端的有效梯度减少，从而能够获得宽光谱（400nm-1100nm），宽角度（0-60度）范围极低的反射率，在太阳能电池产品中有着重要的应用前景。
纳米材料的结构及其性能
纳米材料的结构及其性能
摘要：介绍了纳米材料的基本概念，纳米材料基本组成单位，四个效应及相关纳米材料的性能。
关键词：纳米材料结构性能
20世纪90年代，以前人们从未探索过的纳米物质（Nanostructured materials）一跃成为科学家十分关注的研究对象。新奇的纳米材料刚刚诞生才几年，以其所具有的独特性和新的规律，如材料尺度上的超细微化而产生的表面效应、体积效应、量子尺寸效应、量子隧道效应等及由这些效应所引起的诸多奇特性能，已引起世界各国科技界及各国政要的高度重视，使这一领域成为跨世界材料科学研究领域的"热点"。1999年12月14日，美国总统科学和技术顾问委员会（PCAST）致函克林顿，极力推荐美国国家科学和技术委员会（NSTC）的提议，即从2001年度财政预算中开始实施"国家纳米技术推进计划"（National Nanotechnology Initiative--NNI）,引起克林顿的高度重视。2000年1月2日，克林顿签发执行令，决定将NNI 列为美国科技领域最优先发展的计划，并在2000年度财政预案中专为此项计划追加2.25亿美元，与2000年度相比增加了84%。美国政府这一举措引起了世界范围的广泛关注，新一轮科技竞争已经在或明或暗的气氛中形成，纳米或纳米技术背后隐藏着的巨大商机开始显现，有资料表明，1999年全球纳米技术的生产值达500亿美元，预计到2010年将达到14400亿美元。
1、纳米和纳米材料
纳米是一种长度的量度单位，1纳米（nm）等于10-9米，1nm的长度大约为4到5个原子排列起来的长度，或者说1nm相当于头发丝直径的10万分之一。在英语里纳米用nano 表示，NANO一词源自拉丁前缀，矮小之意。
纳米材料导论 第六章光学性能
第六章纳米材料的光学性能
第一节基本概念
纳米材料的量子效应、大的比表面效应、界面原子排列和键组态的较大无规则等特性对纳米微粒的光学特性有很大影响，使纳米材料与同质的体材料有很大不同。研究纳米材料光学特性的理论基础是量子力学，本章将不详述这种具体理论，但在了解纳米材料光学特性的过程中，经常会遇到以下几个概念，这里先作介绍。
一、激子
激子(Exciton)可以简单地理解为束缚的电子-空穴对。从价带激发到导带的电子
通常是自由的，在价带自由运动的空穴和在导带自由运动的电子，通过库仑相互作用束缚在一起，形成束缚的电子-空穴对，就形成激子，电子和空穴复合时便发光，即以光子的形式释放能量，如图6-1所示。根据电子和空穴相互作用的强弱，激子分为万尼尔（Wannier ）激子（松束缚）和弗仑克尔（Frenkel ）激子（紧束缚）。在半导体、金属等纳米材料中通常遇到的多是万尼尔激子。这种激子能量与波矢K 的关系可写为：
)3,2,1(2)(2*
22 n n R m K E K E g n
（6-1）
其中g E 为相应材料的能隙，**h e m m m 是电子和空穴的有效质量之和，*
R 是激子的等效里德伯能量：eV 6.132* R , 是相对介电常数（有时直
称为介电常数）， 是电子与空穴的折合质量，**
111h e m m 。如果（6-1）式中0 K ，则激子
能量：
)3,2,1()(2*
n n R E K E g n
（6-2）
)(K E n 比能隙小，所以允许带间直接跃迁时，激子光吸收过程所需光子的能量比本征吸收要小，亦即在本征吸收限的长波方向存在与激子光吸收相对应的吸收过程。
面向红外探测的硅基材料光谱特性优化研究
面向红外探测的硅基材料光谱特性优化研究随着红外探测技术的广泛应用，对高性能硅基材料的需求不断增加。为了提高红外探测器的性能和灵敏度，对硅基材料的光谱特性进行优
化研究具有重要的意义。本文将围绕面向红外探测的硅基材料的光谱
特性优化展开讨论。
第一部分：硅基材料的红外光谱特性介绍
硅基材料是一种常见的半导体材料，具有广泛的应用领域。在红外
光谱范围内，硅基材料的光学性质受其晶体结构和掺杂元素的影响。
通过分析硅基材料的红外光谱特性，可以进一步理解其电子能带结构
和光学性能。
第二部分：控制硅基材料的光学性质
为了优化硅基材料的红外光谱特性，可以采取多种方法，如掺杂、
微结构调控和化学修饰等。掺杂是一种常用的方法，可以通过引入杂
质原子来改变硅基材料的光学性质。微结构调控包括表面处理、纳米
结构和氧化层等方法，可以影响硅基材料的折射率、吸收系数和发射
性质。化学修饰则是利用化学反应改变硅基材料的表面性质，以增强
其红外光谱特性。
第三部分：红外探测器中的硅基材料应用
硅基材料在红外探测器中具有重要的应用价值。通过优化硅基材料
的光谱特性，可以提高红外探测器的灵敏度和响应速度。同时，硅基
材料还可以用于红外滤波器和光吸收器等器件，以实现对红外辐射的选择性探测和吸收。
第四部分：表征硅基材料的光谱特性
为了准确评估硅基材料的光谱特性，需要借助各种表征技术。常见的表征方法包括红外吸收谱、拉曼光谱和光致发光谱等。这些表征方法可以提供硅基材料的能带结构、晶格振动和缺陷态等信息，从而为优化硅基材料的光谱特性提供依据。
第五部分：未来的发展方向与展望
纳米材料的结构和性质
例如，大块Pb的熔点为 600K，而20nm球形Pb微 粒熔点降低288K；纳米 Ag微粒在低于373K开始 熔化，常规Ag的熔点为 1173K左右．Wronski计 算出Ag微粒的粒径与熔 点的关系，结果如图所 示．由图中可看出，当 粒径小于10nm时，熔点 急剧下降．
所谓烧结温度是指把粉末先用高压压制 成形，然后在低于熔点的温度下使这些 粉末互相结合成块，纳米微粒尺寸小， 表面能高，压制成块材后的界面具有高 能量，在烧结中高的界面能成为原子运 动的驱动力，有利于界面中的孔洞收缩， 因此，在较低的温度下烧结就能达到致 密化的目的，即烧结温度降低．
此外，纳米磁 性微粒还具备 许多其他的磁 特性．纳米金 属Fe(8nm)饱和 磁化强度比常 规α-Fe低40％， 纳米Fe的比饱 和磁化强度随 粒径的减小而 下降(见图)；
2.3光学性能
纳米粒子的一个最重要的标志是尺寸与物理的 特征量相差不多，例如，当纳米粒子的粒径与 超导相干波长、玻尔半径以及电子的德布罗意 波长相当时，小颗粒的量子尺寸效应十分显 著．与此同时，大的比表面使处于表面态的原 子，电子与处于小颗粒内部的原子、电子的行 为有很大的差别，这种表面效应和量子尺寸效 应对纳米微粒的光学特性有很大的影响．甚至 使纳米微粒具有同样材质的宏观大块物体不具 备的新的光学特性．主要表现为如下几方面：
2．2 磁学性能
纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效应、 表面效应等使得它具有常规粗晶粒材料 所不具备的磁特性．纳米微粒的主要磁 特性可以归纳如下： (1)超顺磁性 纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入 超顺磁状态
论几种材料微观结构分析方法
论几种材料微观结构分析方法
论几种材料微观结构分析方法
摘要：决定材料性质最为本质的内在因素：组成材料各元素原子结构，原子间相互作用相互结合，原子或分子在空间排列，运动规律，以及原子集合体的形貌特征，因此探测物体内部微结构对于材料的研究有着重要的物理意义
关键词:X射线;光学显微镜;扫描电镜；透射电子显微镜；红外光谱分析
一、X射线单晶体衍射仪(X-ray single crystal diffractometer,简写为XRD)
基本原理：根据布拉格公式：2dsinθ=λ可知，对于一定的晶体，面间距d一定，有两种途径可以使晶体面满足衍射条件，即改变波长λ或改变掠射角θ。X射线照射到某矿物晶体的相邻网面上，发生衍射现象。两网面的衍射产生光程差ΔL=2dsinθ，当ΔL等于X射线波长的整数倍nλ(n为1、2、3….，λ为波长)时，即当2dsinθ=nλ时，干涉现象增强，从而反映在矿物的衍射图谱上。不同矿物具有不同的d值。X射线分析法就是利用布拉格公式并根据x射线分析仪器的一些常数和它所照出的晶体结构衍射图谱数据，求出d，再根据d值来鉴定被测物。
主要功能：收集晶体衍射数据以及进一步确定晶体结构，过程主要包
括：挑选样品，上机，确定晶胞参数，设定参数进行数据收集，数据还原，结构解析。
二、光学显微镜（Optical Microscopy ，简写为OM）
基本原理：显微镜是利用凸透镜的放大成像原理，将人眼不能分辨的微小物体放大到人眼能分辨的尺寸，其主要是增大近处微小物体对眼睛的张角（视角大的物体在视网膜上成像大），用角放大率M表示它们的放大本领。因同一件物体对眼睛的张角与物体离眼睛的距离有关，所以一般规定像离眼睛距离为25厘米（明视距离）处的放大率
红外低发射二维材料
红外低发射二维材料
红外低发射二维材料是一种具有较低红外发射率的二维材料，这种材料在红外波段具有较低的辐射特性，可以有效地减少红外辐射的发射，因此在红外探测、红外隐身、热成像等领域具有广泛的应用前景。
目前研究比较多的红外低发射二维材料主要有石墨烯、过渡金属硫族化合物等。其中，石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料，具有优异的电学、热学和力学性能，并且具有接近零的红外发射率，因此在红外探测和热成像等领域具有很大的应用潜力。过渡金属硫族化合物是一类具有优异光电性能的二维材料，其红外发射率可以通过调节材料的组分和结构来调控，因此在红外隐身和热成像等领域也备受关注。
总的来说，红外低发射二维材料是一种具有广泛应用前景的新型材料，其研究和应用还在不断深入和发展中。
纳米陶瓷膜二次热辐射
纳米陶瓷膜二次热辐射
纳米陶瓷膜二次热辐射是指在纳米陶瓷膜材料表面，由于材料特殊的光学性能和微观结构，使得涂层在吸收太阳辐射后，能够有效地将热量以辐射形式释放出去。这一过程具有节能、环保和可持续等特点，对于降低建筑能耗、提高能源利用效率等方面具有重要意义。纳米陶瓷膜二次热辐射的原理如下：
1. 纳米陶瓷膜的高反射率：纳米陶瓷膜具有高反射率，能够有效反射太阳光，降低建筑物表面的吸收热量。
2. 纳米陶瓷膜的多级多孔结构：纳米陶瓷膜内部的微孔结构能够增加膜层的表面积，提高辐射散热效果。同时，多级孔结构有助于调节膜层内部的温度分布，使热量更均匀地辐射出去。
3. 纳米陶瓷膜的优异光学性能：纳米陶瓷膜具有优异的光学性能，如高红外发射率和高热辐射率。这些性能使得膜层在吸收太阳辐射后，能够迅速将热量以辐射形式释放，降低建筑物的表面温度，从而实现节能降耗。
4. 长期户外应用的耐用性：纳米陶瓷膜具有较好的耐候性和稳定性，能够在户外环境下长期使用，而不会轻易磨损或脱落。
纳米陶瓷膜二次热辐射技术在建筑、汽车、航空航天等领域具有广泛的应用前景。例如，在建筑领域，纳米陶瓷膜可以应用于屋顶、墙壁等建筑表面，降低建筑物的能耗，提高室内舒适度；在汽车领域，纳米陶瓷膜可以应用于发动机舱、车身等部位，有效降低汽车内部的温度，提高车辆性能。
总之，纳米陶瓷膜二次热辐射技术是一种具有高效、环保和可持续特点的节能技术，有望在多个领域发挥重要作用。随着相关研究的深入和技术的不断进步，纳米陶瓷膜二次热辐射技术在未来有望得到更广泛的应用。
光子材料、微结构与微米
(a)棍-球模型 双光子聚合棍 球模型 棍 球模型 双光子聚合棍-球模型 球模型(b)双光子聚合棍 (c)双光子聚合金刚石型光子带隙 双光子聚合金刚石型光子带隙
六角形微棱镜阵列
X-射线刻饰 射线刻饰(XRL)与纳米刻饰 与纳米刻饰(NIL)图象 射线刻饰 与纳米刻饰 图象
半球列阵的3D超强制结构 半球列阵的 超强制结构
一维、二维、三维正弦型周期限制。 腔量子电动力学效应（自发辐射禁戒或增强）等。 零或低阈值激光器，垂直腔面发射激光器及其列阵， 零或低阈值激光器，垂直腔面发射激光器及其列阵，微盘激光器及 其列阵，微球腔激光器等。 其列阵，微球腔激光器等。
一维、二维非线性折射率突变型周期，准周期，复合周期调制。 准相位匹配（QPM）频率变换（差频，和频，倍频，OPO），光脉 冲整形（啁啾效应）等。 QPM倍频激光器，QPM可调谐参量激光器，ps-fs激光脉冲压缩器等。
光子学材料、微结构与纳、微米制造 樊美公
光子学材料
既是光响应材料又是光功能材料。 作为光子学材料最大特点在于功能变化的范围 限定在一个波长之内。 理论上光子学材料的结构应当是纳米结构。
光子晶体的构成是建筑在材料折射率变化的基础上。折射率最大值 与最小值之比大于2。光子晶体包括微波，红外，可见波段光子晶 体等，变化范围为1个波长。 光子晶体可以是一维、二维、三维线性折射率调制。 光子晶体的新物理 新物理效应包括光学带隙效应，色散修饰，腔量子电动 新物理 力学效应，光子定域化等。
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第 3 期
崔宝生等 :材料微结构对红外发射率的影响
38 7
∫ σm , b
=
1πa2 6
π/ 2 0
RT 1-
2 0
T2 RT
si
n2θ1
dθ1
,
(8)
其中下标 m 表示发生在微粒内部的多重反射.
由能量守恒定律 ,可得吸收截面为
∫π/ 2
σa = πa2 0
1-
T
2 0
T
R-
1 - RT
第 45 卷 第 3 期 2006 年 6 月
复 旦 学 报 (自然科学版)
Journal of Fudan Universit y (Natural Science)
文章编号 : 042727104 (2006) 0320385206
Vol. 45 No . 3 J un. 2006
材料微结构对红外发射率的影响
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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复 旦 学 报 (自然科学版)
第 45 卷
是高反射体. 其原因在于冰是单一的晶体结构 ,而雪花内则含有众多的微气室空腔. 通过对光线在这两种 材料中的传输过程分析 ,可以发现光线在冰面只发生一次反射 ,进入冰体内部后则被吸收或透射出去. 而 光线在雪面发生第一次反射后 ,进入雪体内部的光线又在雪内的空腔表面发生多次反射 ,其中多数光线最 终被反射出雪体表面 ,极少数被吸收或投射出去 ,所以达到极高的综合反射效果. 结构型低发射率红外伪 装材料主要的机理是通过对红外透明材料发泡 ,在材料内部形成微气室空腔 ,使入射光线在材料内部的传 输过程中发生多次反射 ,从而提高材料的综合反射效果.
2 非均匀介质中微粒子的散射和吸收
光线在均匀介质中是沿直线传播的 ,传播过程中只有吸收 ,没有散射 ;但当介质中参杂有不同折射系 数的微粒子时 ,光线在介质中传播时 ,会在微粒子表面和内部产生多次反射和吸收 ,从而改变光线的传播 方向和强度分布. 通常用散射截面积和吸收截面积的概念表征微粒单位面积的散射和吸收能力. 对于不同 尺寸的微粒子 ,其散射截面积和吸收截面积的计算理论是不同的. 当微粒的直径远大于入射光线的波长 时 ,可以采用几何光学的方法处理 ,相应的微粒称为粗粒子 ;当微粒的直径远小于入射光线的波长时 ,可以 采用波动光学的方法处理 ,相应的微粒称为细粒子 ;当微粒的直径和入射光线的波长相当时 ,问题变得较 为复杂 ,目前还没有理论可以精确描述 ,通常采用桥接理论近似处理[5 ,6 ] . 2. 1 粗粒子的散射和吸收截面
T
2 0
T sin2θsin2φ1dθ1
,
(5)
0
∫π/ 2
σr , b = πa2
p
T
2 0
T sin2θscos2φηdθ1
,
(6)
0
这里 σl , t表示因反射引起的横向散射截面 ,σl , b表示因反射引起的后向散射截面 ,σr , t表示因折射引起 的横向散射截面 ,σr , r表示因折射引起的后向散射截面. 公式中 T0 的二次方表示光线穿过微粒时经过两
σs
=
256π5 r6 27λ—4
m2
-
1
2
Im ( In m 2)
+ Im[ In ( m ) 来自百度文库 ( m 2 Im ( m 2)
-
1) ] ,
(10)
σa
=
16π2 r3 3λ— Im
- m 2ln m2 m2 - 1
,
(11)
其中 m 2 = ^n2/ m—2 ,λ— =λ/ Re ( m ) , Im 表示该项的虚部 ; Re 表示该项的实部. 式中的 r 为微粒的半径 ,
剂. 利用前面的公式 ,可以计算单个微粒的散射截面和吸收截面 ,在此基础上 ,就可以计算涂层的散射系数
和吸收系数 ,进而利用 Kubelka2Munk 理论计算涂层的反射率.
涂层散射系数通常可以认为是单个微粒的散射截面乘以单位体积内的微粒数 ,这就是所谓的单粒子
理论. 当微粒在粘接剂中的比例比较小时 ,这种考虑是正确的. 但是 ,如果微粒浓度比较大 ,由于微粒的相
互接触 ,会使散射能力下降. 当两个微粒之间的距离 g 小于波长的十分之一时 , 就发生了所谓的光学搭接
现象. 引入了接触因子 C ,对球状微粒有 :
C = exp ( - 6 fλT/ 20 r) ,
(17)
其中 f 为微粒的体积浓度 , r 为微粒半径. 考虑搭接效应后 ,涂层的散射系数 S 为 :
λ为入射光的波长 , ^n为介质的复折射率 , m—为介质的 Lorentz2Lorenz 折射率 ,它与微粒 、粘结剂的复光学
常数的关系为 :
m—2
=
1
2 f [ (1 +
+ 1/
( ^n22
-
1) ln ( ^n22)
-
1] + (1 -
f ) ( ^n21 - 1)
,
(12)
1 - f + 2 f { [ 1 + 1/ ( ^n22 - 1) ]ln ( ^n22) - 1} / ( ^n22 - 1)
崔宝生1 ,汪长春2 ,贾永科1 ,胡建华2
(1. 无锡科研一所 ,江苏 无锡 214035 ; 2. 复旦大学 高分子科学系 ,教育部先进涂料工程研究中心 ,上海 200433)
摘 要 : 低发射率红外伪装材料主要采用金属材料 、A TO 材料和光子晶体材料 ,由于机械物理性能限制 ,难以满 足工程伪装多波段兼容性要求. 利用后向散射效应研制低发射率红外伪装材料是一种全新的技术途径 ,其主要 机理是通过对红外透明材料发泡 ,在材料内部形成微气室空腔 ,使入射光线在材料内部的传输过程中发生多次 反射 ,从而提高材料的综合反射效果. 对微泡结构材料内部的后向散射效应进行了深入研究 ,建立了非均匀涂层 光线传输模型 ,并定量分析了材料的物性参数和结构参数对材料表面等效发射率的影响. 关键词 : 红外伪装 ; 低发射率材料 ; 后向散射 中图分类号 : E 952. 2 文献标识码 : A
由于微泡的形状接近于球状 ,为不失一般性 ,把气泡微粒简化为球形. 由于光在微粒界面的反射和折 射 ,光就偏离入射方向发生了散射. 在下面的讨论中 ,用下标 l 和 r 分别表示由反射和折射引起的偏离.
设散射光线和入射光线的夹角为 φ,由于前向散射对光线的偏离无贡献 ,故不予考虑. 因此 ,一个微粒 的总散射截面 σ就为
次折射.
除了反射和两次折射穿出球面外 ,入射光在球内还可能经过多重内反射后再出射 ,从而引起光能在前
进方向上的进一步衰减. 计算多重内反射引起的散射截面时 ,需要考虑无穷级数的求和 ,整理后可得 :
∫ σm , t
=
2πa2 3
π/ 2 0
RT 1-
2 0
T2
RT
si
n2θ1
dθ1
,
(7)
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
当材料的表面反射能力不能满足要求时 ,在不改变材料化学组成的条件下 ,可以通过改变材料的微结 构来提高材料的综合反射能力. 改变材料的微观结构 ,从而提高材料反射能力的可行性可以从自然现象得 到定性阐明. 冰和雪从材料角度看是同一种物质. 冰在可见光波段是低反射体 ,但同样分子结构的雪花却
收稿日期 : 2006201220 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (20374012 ;50525310 ;6140535) 作者简介 : 崔宝生 (1966 —) ,男 ,硕士 ,高级工程师 ;通讯联系人汪长春教授 ,博士生导师.
∫π/ 2
σl , t = πa2 R sin2θsin2φ1dθ1 ,
(3)
0
∫π/ 2
σl , b = πa2 p R sin2θcos2φ1dθ1 ,
(4)
0
其中 sin2φl 为横向散射的权重因子 ,cos2φl 为后向散射的权重因子.
折射引起的散射截面 :
∫π/ 2
σr , t = πa2
热成像侦察系统主要通过测量目标和背景之间在红外波段的辐射强度差别来识别目标. 红外伪装的 目的就是通过改变目标的辐射强度 ,使目标和背景的红外辐射亮度在尽可能多的时间内和背景亮度变化 保持一致 ,使红外侦察系统难以从背景中区分出目标. 根据热辐射理论 ,目标的红外辐射强度取决于目标 的热力学温度和表面发射率两个因素. 因此 ,研制一种发射率低 、隔热性能好的材料对红外伪装具有重要 的意义.
本文对微泡结构材料中入射光线的后向散射效应作深入的分析 ,从理论上阐明其内在规律 ,并定量分 析材料的物性参数和结构参数对材料表面等效发射率的影响.
1 微泡结构红外低发射率材料作用机理
利用后向散射效应研制低发射率红外伪装材料是一种全新的技术途径 ,目前还未见公开报道. 根据基 尔霍夫定律 ,材料的发射率等于材料的吸收率 ,因此 ,红外透明材料就是红外低发射率材料 ,而红外透明材 料制备和微球制备技术是比较成熟的[1～3 ] . 但是 ,由于不能阻断来自目标的红外辐射 ,所以红外透明材料 不能直接用于红外伪装. 在保持材料低吸收特性的基础上 ,要降低材料的红外透明性 ,阻断来自目标的红 外辐射 ,唯一的办法是提高材料的反射能力 ,把来自目标的红外辐射反射回去. 但通常红外透明材料的折 射系数并不大 ,一般在 1. 5 左右 ,相应的表面反射率约为 0. 04 ,不能有效阻断目标红外辐射[4 ] .
sin2θ1dθ1 .
(9)
2. 2 细粒子的散射和吸收截面
当微粒的粒径远小于可见光波长时 ,上述基于几何光学的理论显然不能成立 ,这时需要采用波动光学
理论. Emslie 和 Aronson 假设涂层内的微粒是有着不同退极化因子的小椭球[2 ] ,考虑微粒间的相干作用 ,
可以得到单个微粒的散射截面σs 和吸收截面σa 分别为
此前 ,低发射率红外伪装材料研究主要是设法直接提高材料的表面反射率 ,研究内容集中在对材料本 身的筛选和改性上 ,研究对象多为金属材料 、A TO 材料和光子晶体材料. 由于这些材料本身的结构和机械 物理性能限制 ,目前还不能找到一种满足伪装兼容性和工程实用性的理想材料. 目前红外伪装中使用的低 发射率材料主要是在涂料中掺杂金属粉末 ,通常为铝粉. 这种低发射率材料红外伪装性能不稳定 ,容易出 现表面泛白现象 ,而且隔热能力差 ,难以满足雷达波段的兼容性要求. 光子晶体材料和半导体材料则由于 技术上的问题 ,目前还处于探索阶段.
其中 f 为介质中微粒的体积浓度 :
f = 4πn r3/ 3 ,
(13)
其中 n 为介质中单位体积内所含微粒的个数. 考虑到散射的各向同性 ,式 (10) 和式 (11) 中的σb ,σt
为:
σb = σs/ 6 ,
(14)
σt = 2/ 3σs .
(15)
2. 3 桥接理论
当微粒的粒径介于粗粒子和细粒子之间时 ,采用桥理论 ,即认为单个微粒的散射截面介于分别按照粗
σ = 3 (σb + σt/ 2) ,
(1)
其中σb ,σt 分别为微粒的后向散射截面和横向散射截面. 设光线入射角为θ1 , 折射角为 θ2 , 则由反射引起 的偏离角有 :φ1 = 2θ1 . 而由两次折射穿过球面引起的偏离角 :φr = 2 (θ1 - θ2) .
为不失一般性 ,设微粒和包围微粒的粘结剂都为吸收介质 , 折射角θ2 服从复数的 Snell 定律. 透明介
粒子理论和细粒子理论计算结果之间 ,它们的关系由下式决定 :
1/ σ2br = 1/ σ2c + 1/ σ2f ,
(16)
式中的下标 br , c , f 分别代表桥理论 、用粗粒子理论计算和用细粒子理论计算的散射截面.
2. 4 搭接效应及非均匀介质的等效散射系数和吸收系数
对于涂层而言 ,微粒可以是不同折射率材料的微球 ,也可以是空气微泡. 传输介质的主要成份为粘接
质的虚部为 0 ,可看成其特例. 设微粒的表面透射率和体内透射率分别为 T0 , T ,则有 : T0 = 1 - R .
其中 R 为微粒表面反射率 ,可由 Fresnel 公式得到 ,而透射率 T 为 :
T = exp ( - 8 k2cosθ2/ λ) ,
(2)
这里 λ为入射光的光波长. 因反射引起的散射截面 :