提高红外辐射涂料辐射特性途径的分析

钢铁研究

RESEARCH ON IRON & STEEL

2000　No.3　P.34-37

提高红外辐射涂料辐射特性途径的分析

欧阳德刚　周明石　张奇光　罗安智

摘　要　从电介质晶体的光谱吸收过程出发,综合分析了各有关因素对其红外辐射特性的影响,提出了改善红外辐射涂料辐射性能的途径,为红外辐射涂料的理论研究和充分发挥其在工业炉窑上的节能效果提供了理论素材。

关键词　红外辐射涂料　晶格振动　自由载流子　光谱吸收　辐射特性

ANALYSIS ON ROUTE TO IMPROVEMENT IN RADIATION QUALITY

OF INFRARED RADIATION PAINT

Ouyang Degang　Zhou Mingshi　Zhang Qiguang　Luo Anzhi

(Wuhan Iron & Steel Corp.)

Synopsis　Starting from the process of spectral absorption of the electrolytic crystal the present paper comprehensively analyzed factors affecting the feature of infrared radiation and pointed out the proper route to improvement in the radiation quality of the infrared radiation paint, thus providing a theoretical basis for further theoretical study as well as for bringing into full play its role of energy saving in the industrial furnace and kiln.

Keywords　infrared radiation paint　lattice vibration　free charge carrier　spectral absorption　radiation quality

1　前　言

红外辐射涂料以其优越的辐射特性愈来愈为世人瞩目,尤其在高温工作条件下的工业炉窑中,炉内传热以辐射为主。通过合理使用红外辐射涂层,强化炉内辐射传热不仅可以提高加热速度,还能改善加热质量和炉温均匀性,获得良好的节能效果。然而,由于各种炉窑实际工作温度的不同,辐射光谱峰值波长随之而变;同时由于各种红外辐射涂料的光谱吸收特性的差异,导致红外辐射涂料在工业炉窑中的应用效果高低不一［1］。针对上述问题,本文分析了电介质晶体的光谱吸收过程及各有关因素对其光谱吸收特性的影响,探讨了改善红外辐射涂料辐射特性的途径及提高其应用效果的方法。

2　电介质晶体的光谱吸收过程

电介质晶体是由原子、分子、离子、电子等粒子构成,其光谱吸收特性便是这些粒子与电磁波之间相互作用的结果。电介质晶体的光谱吸收大致有以下几种形式:(1)基本吸收;(2)自由载流子吸收;(3)晶格吸收;(4)杂质吸收等。以下逐一分析各种形式的吸收过程。

2.1　基本吸收过程

基本吸收过程是指晶体中电子吸收光子后,由价带跃迁到导带的过程。显然,只有当光子能量h.v大于电子禁带宽度E g时,才能实现这种电子激发过程［2,3］即:

h.v≥E g (1)

式中　h——普朗克常数

v——光子频率

由此可见,基本吸收的光谱特征是:在吸收光谱区基本吸收是连续的强吸收,并且随波长的增长存在一个陡峭的波长吸收限。其相应的吸收限波长λc为［2］:

λc=c.h/E g (2)式中　c ——真空中的光速

由此式可见,影响基本吸收的主要因素是电子的禁带工度E g。随着E g的减小,其相应的波长吸收限向长波方向移动。对于电介质晶体来说,其电子禁带宽度约为4～10 ev［2］,代入(2)式可得其相应的波长吸收限为0.124～0.31 μm,处于紫外或远紫外区。因而,电介质晶体的基本吸收对其红外辐射与吸收贡献较小。

2.2　自由载流子的吸收过程

晶体导带中的电子或价带中的空穴吸收光子后,引起载流子在一个能带内的跃迁,这个过程称为载流子的吸收过程。其吸收光谱通常没有精细结构,吸收系数是随λs而单调上升。S值一般在1.5至2.5之间,λ=c/v是光在真空中的波长［3］。

经典电子理论及量子力学理论指出,自由电子在外加周期场中将以外场的频率作振动,但不发生共振,不与外来电磁场交换能量,既不发射也不吸收电磁波。然而,在声子或晶体中电离杂质的散射作用下,为电子跃迁的准动量守恒提供了条件,从而实现与外来辐射电磁波的能量交换。理论分析表明,在电子与晶格碰撞中,如果电子的跃迁是由于受到声学声子的散射所引起,则其光吸收系数正比于λ1.5;而受到光学声子散射时,其吸收系数则正比于λ2.5;当电子受到电离杂质的散射时,其吸收系数正比于λ3.5。一般情况下,以上3种散射机制都可能发生,因而,总的自由载流子的吸收系数a f将是这3个过程的总和［3］，即:

a f=Aλ1.5+Bλ2.5+Cλ3.5 (3)式中　A、B、C——常数

在上述3种散射过程中,哪一种占主导地位,取决于晶体中杂质浓度。杂质浓度越高,吸收系数a f随波长λ的变化增强［2,3］。

2.3　晶格吸收过程

光子和晶体晶格振动相互作用所引起的光吸收过程为晶格吸收过程。光的电场使正负离子沿着相反的方向发生位移,形成电偶极矩,使晶体极化。电偶极矩从光电磁场中吸收能量,当外加光电磁场的频率等于晶体晶格振动模式的频率时,这种光吸收达到极大值。

由Maxwell方程和黄昆方程,可求得平面波色散关系［4,5］:

ε(w)=1+4π［γ22+γ212/(γ11-w2)］

ε0=1+4π(γ22+γ212/γ11)

ε∞=1+4πγ22

(4)式中　ε(w)——介电常数

ε∞——高频介电常数

γij——晶体短程作用和长程作用的复位能力,它们决定晶体弹性系数和振动固有频率w0