1红外材料

• 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、
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
• 1．材料本身结构 • 2．辐射波长 • 3．原材料预处理工艺 • 4．温度 • 5. 表面状态 • 6．材料的体因素 • 7．工作时间
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， 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， 可以看作是平衡。 可以看作是平衡。
发射率（ 和光谱发射率ε 发射率（ε）和光谱发射率ε（λ）
• 把实际物体发射的辐射出射度和同一温度下黑体发射的辐
第一章 红外材料
红外材料是指与红外线的辐射、吸收、 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。 透射和探测等相关的一些材料。 本章主要介绍红外透射和辐射材料。 本章主要介绍红外透射和辐射材料。
主要内容
• 1.1 红外线的基本规律 • 1.2 红外辐射材料 • 1.3 透红外材料
等于黑体的辐射出射度，且只和温度有关。 等于黑体的辐射出射度，且只和温度有关。
• ε=α • 表明：若物体对某种波长的辐射有很强的吸收能力，则它 表明：若物体对某种波长的辐射有很强的吸收能力，
对这种辐射的发射能力也很强。 对这种辐射的发射能力也很强。
4.朗伯定律 4.朗伯定律
Iθ = I 0 cos θ
线的材料。 线的材料。
• 红外辐射材料可分为热型、“发光”型、热—“发光”混 红外辐射材料可分为热型 热型、 发光” 发光”
合型三类。 合型三类。 三类
• 红外加热技术主要采用热型红外辐射材料。 红外加热技术主要采用热型红外辐射材料。
1.2 红外辐射材料相关概念
• 一、发射率 • 二、影响材料发射率的因素 • 三、红外辐射材料的种类 • 四、红外辐射材料的应用
和可见光一样是一种电磁波， 和可见光一样是一种电磁波，波长在0.76~1000um 之间。 之间。
• 红外线的辐射起源于分子的振动和转动，而分子 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，
振动和转动起源于温度 所以在0K以上的温度下 振动和转动起源于温度。所以在0K以上的温度下， 温度。 以上的温度下， 一切物体均可辐射红外线，故红外线是一种热辐 一切物体均可辐射红外线， 射，有时也叫它热红外。 有时也叫它热红外。
1.普朗克定律和维恩定律 1.普朗克定律和维恩定律
Mλ黑体辐射出的能量密度 C1:3.17×10-6 × C2:1.44×10-2 ×
Mλ =
e
C 2 / λT
C1λ
−5
−1
T:绝对温度 绝对温度
λmax • T = 2.897mm • K ≈ 3000µm • K
趋于零。在一定绝对温度范围内， 在0 K时，Mλ趋于零。在一定绝对温度范围内， 时 Mλ随波长增加而上升，达到最大值后，又随波长 随波长增加而上升，达到最大值后， 增加而下降。 增加而下降。
能 量 密 度
Planck 线
0
5 λ (104 cm)
10
2.斯蒂芬一玻尔兹曼定律 2.斯蒂芬一玻尔兹曼定律
6.494C1 4 4 M = ∫ M λ dλ = • T = σT 4 C2
辐射出射度与绝对温度的四次方成正比关系
σ黑体的辐射常数，或称斯蒂芬一玻尔兹曼常数，等于 黑体的辐射常数，或称斯蒂芬一玻尔兹曼常数， 黑体的辐射常数 5.67×10-8W/m2·K4 × M:黑体的辐射出射度：单位面积发射的能通量（W·m2） 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
1.1 红外线的基本规律
• • • •
1.普朗克定律和维恩定律 1.普朗克定律和维恩定律 2.斯蒂芬一玻尔兹曼定律 2.斯蒂芬一玻尔兹曼定律 3.基尔霍夫定律 3.基尔霍夫定律 4.朗伯定律 4.朗伯定律
红外线
• 红外线是英国赫舍尔在1800年发现的。它本质上 红外线是英国赫舍尔在1800年发现的 年发现的。
至导带间的跃迁有关（绝缘体9eV，半导体1 3eV）； ）；在长波段主要 至导带间的跃迁有关（绝缘体9eV，半导体1-3eV）；在长波段主要 与晶格振动有关。晶格振动频率取决于晶体结构、组成晶体的元素的 与晶格振动有关。晶格振动频率取决于晶体结构、 原子量及化学键特性。 原子量及化学键特性。
纯SiC的单色发射率与波 的单色发射率与波 长的关系
• 该定律可用于任何热辐射体
M m = εσT = εM
4
ε—发射率 发射率
3.基尔霍夫定律 3.基尔霍夫定律
• 确定了物体出射度M和吸收率α之间的联系，即： 确定了物体出射度M和吸收率α之间的联系， • M1/α1=M2/α2=M3/α3=…= Mm/α= M=f(T) • 说明：任何热辐射体的辐射出射度和吸收率之比相同并恒 说明：
3．原材料预处理工艺
• 同—种原材料因预处理工艺条件不同而有不同的发射率值。 种原材料因预处理工艺条件不同而有不同的发射率值。 • 经700℃空气气氛处理与经140 0℃煤气气氛处理的氧化 700℃空气气氛处理与经140 0℃
钛的常温发射率分别为0 81和 钛的常温发射率分别为0．81和0．86 。
• 氧化铝、氧化硅等电介质材料属于离子型晶体 氧化铝、 • 碳化硅、硼化锆、氮化锆等材料属于共价晶体 碳化硅、硼化锆、 • 铝等金属晶体的结构是正离子晶格由自由电子把它们约束
在一起。 在一起。
2．辐射波长
• 多数红外辐射材料，其发射红外线的性能，在短波主要与电子在价带 多数红外辐射材料，其发射红外线的性能，
• 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辐射能通量与 该方向同表面法线方向的夹角的余弦成正比。 该方向同表面法线方向的夹角的余弦成正比。
1.2 红外辐射材料
• 工程上，红外辐射材料是指能吸收热辐射而发射大量红外 工程上，
4．温度
• 电介质材料的发射率较
金属大得多，有些随温 金属大得多， 度升高而降低， 度升高而降低，有些随 温度的升高而有复杂的 变化。 变化。
5.表面状态 5.表面状态
• 一般说来，材料表面愈粗糙，其发射率值愈大（暖气片表 一般说来，材料表面愈粗糙，其发射率值愈大（
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波长对表面不平
wk.baidu.com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，
影响，将它分为四个光谱区: 影响，将它分为四个光谱区:
• 0．76~3um为近红外； 76~3um为近红外 为近红外； • 3~6um为中红外区； 3~6um为中红外区 为中红外区； • 6~15um为远红外区， 6~15um为远红外区 为远红外区， • 15~1000um为极远红外区。 15~1000um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。
一、发射率
• 红外辐射材料的辐射特性决定于材料的温度和发射率。 红外辐射材料的辐射特性决定于材料的温度和发射率。 • 发射率是红外辐射材料的重要特征值，它是相对于热平衡 发射率是红外辐射材料的重要特征值 是红外辐射材料的重要特征值，
辐射体的概念。 辐射体的概念。
• 热平衡辐射体是当一个物体向周围发射辐射时，同时也吸 热平衡辐射体是当一个物体向周围发射辐射时，
• 发射率与波长无关的物体称为灰体； 发射率与波长无关的物体称为灰体； • 随波长变化而改变发射率的物体称为选择性辐射体。 随波长变化而改变发射率的物体称为选择性辐射体。
黑体 1.0
ε(λ)
0.5
灰体 选择性 辐射体
0 λ
三类辐射体的单色发射率
法向发射率ε 法向发射率εn
物质 ε 0.50 0.35 0.70 0.70 0.60 0.75 0.20 0.70 0.90 0.11 0.83 物质 SnO2 TiO2 Cr2O3 Ce2O3 ZrO2 CaCO3 TaC ZrC SiC Nb2O3 ε 0.70 0.60 0.70 0.70 0.74 0.40 0.81 0.46 0.72 0.70
• 垂直于辐射表面的发射率 ，BeO
称为法向发射率ε 称为法向发射率εn
Al2O3
V2O5 Fe2O3 Y2O3
• 各种金属化合物（常温至 各种金属化合物（
800℃ 800℃）的发射率值
Co3O4 MgO Cu2O NiO ZnO SiO
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、
6．材料的体因素
• 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， 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， 厚度、 等等。
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材料的吸收所致。 原因是红外线能量在传播过程中材料的吸收所致。
• 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。
无法显示图像。计算机可能没有足够的内存以打开该图像，也可能是该图像已损坏。请重新启动计算机，然后重新打开该文件。如果仍然显示红色 “x”，则可能需要删除该图像，然后重新将其插入。
（0.1～0.5）厚度玻璃的半球向 ～ ） 全发射率和温度特性
整度的相对大小有关，与金属表面上的化学特征(如油脂 整度的相对大小有关，与金属表面上的化学特征( 玷污、附有金属氧化膜等)和物理特征(如气体吸附、晶格 玷污、附有金属氧化膜等)和物理特征(如气体吸附、 缺陷及机械加工引起的表面结构改变等)有关。 缺陷及机械加工引起的表面结构改变等)有关。
无法显示图像。计算机可能没有足够的内存以打开该图像，也可能是该图像已损坏。请重新启动计算机，然后重新打开该文件。如果仍然显示红色 “x”，则可能需要删除该图像，然后重新将其插入。
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、
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 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 有关，在长波段则与其晶格振动特性有关 有关，在长波段则与其晶格振动特性有关。 晶格振动特性有关。
射出射度之比定义为发射率ε 也称全发射率。 射出射度之比定义为发射率ε，也称全发射率。
• 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、
出射度之比定义为光谱发射率ε 出射度之比定义为光谱发射率ε（λ），也称为单色发射率。 ），也称为单色发射率 也称为单色发射率。
无法显示图像。计算机可能没有足够的内存以打开该图像，也可能是该图像已损坏。请重新启动计算机，然后重新打开该文件。如果仍然显示红色 “x”，则可能需要删除该图像，然后重新将其插入。
涂层粗糙度对铝的发射率的影响 1-200K；2-300K；3-370K ； ； 表面粗糙度对铝的发射率的影响[温度： 表面粗糙度对铝的发射率的影响 温度： 温度 326℃（空气中）] ℃ 空气中）
1．材料本身结构
• 一般地，金属导电体的ε值较小，电介质材料的ε值较高。 一般地，金属导电体的ε值较小，电介质材料的ε值较高。
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 及其运动特性直接有关。带电粒子的特性不同，材料的电 及其运动特性直接有关。带电粒子的特性不同， 性和发射红外辐射的性能就不一样，而这往往与材料的晶 性和发射红外辐射的性能就不一样， 体结构有关。 体结构有关。
7．工作时间
• 在工作条件下，由于与环境介质发生相互作用或其它物理化学变化， 在工作条件下，由于与环境介质发生相互作用或其它物理化学变化，
从而引起成分及结构的变化，将使材料的发射率改变。 从而引起成分及结构的变化，将使材料的发射率改变。
一种高温搪瓷的发射率
温度℃ 温度℃ 400 500 600 700 800 900 未处理前 0.71 0.70 0.69 0.67 0.65 0.63 经1000℃、50h处理后 1000℃ 50h处理后 0.80 0.79 0.78 0.77 0.75 0.75