红外辐射材料整理
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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 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、组成晶体的元素的原 子量及化学键特性。
纯SiC的单色发射率与波 长的关系
3．原材料预处理工艺
• 同一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1400℃煤气气氛处理的氧化钛
对这种辐射的发射能力也很强。
4.朗伯定律
II0cos
• 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。
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 线的材料。
• 红外辐射材料可分为热型、“发光”型、热—“发光”混 合型三类。
• 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。
黑体 1.0
灰体 0.5
选择性 辐射体 0 λ
三类辐射体的单色发射率
ε(λ)
法向发射率εn
• 垂直于辐射表面的发射率 ，称为法向发射率εn
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 规律中反映出来。
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 可以看作是平衡。
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 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 出射度之比定义为光谱发射率ε（λ），也称为单色发射 率。
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。 主要介绍红外辐射材料
主要内容
• 1.1 红外线的基本规律 • 1.2 红外辐射材料
1.1 红外线的基本规律
• 1.普朗克定律和维恩定律 • 2.斯蒂芬一玻尔兹曼定律 • 3.基尔霍夫定律 • 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 和可见光一样是一种电磁波，波长在0.76~1000um之 间。
的常温发射率分别为0．81和0．86 。
4．温度
• 电介质材料的发射率较 金属大得多，有些随温 度升高而降低，有些随 温度的升高而有复杂的 变化。
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 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 整度的相对大小有关，与金属表面上的化学特征(如油脂 玷污、附有金属氧化膜等)和物理特征(如气体吸附、晶格 缺陷及机械加工引起的表面结构改变等)有关。
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， 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。
能
量
密
度
Planck 线
0
5
10
(104 cm)
2.斯蒂芬一玻尔兹曼定律
M M d6.4 C 2 49 C 14 •T4T4
辐射出射度与绝对温度的四次方成比关系
σ黑体的辐射常数，或称斯蒂芬一玻尔兹曼常数，等于 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）
• 该定律可用于任何热辐射体
M mT 4M
ε—发射率
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： • 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
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
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。 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 性和发射红外辐射的性能就不一样，而这往往与材料的晶 体结构有关。
• 氧化铝、氧化硅等电介质材料属于离子型晶体 • 碳化硅、硼化锆、氮化锆等材料属于共价晶体 • 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
• 红外加热技术主要采用热型红外辐射材料。
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
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。 • 发射率是红外辐射材料的重要特征值，它是相对于热平衡
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
• 材料发出辐ຫໍສະໝຸດ Baidu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，在短波段主要与其电子的跃迁 有关，在长波段则与其晶格振动特性有关。
• 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 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
• 红外线的辐射起源于分子的振动和转动，而分子 振动和转动起源于温度。所以在0K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 射，有时也叫它热红外。
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 影响，将它分为四个光谱区:
• 0．76~3um为近红外； • 3~6um为中红外区； • 6~15um为远红外区， • 15~1000um为极远红外区。 • 不同学科有不同的划分方法。
1.普朗克定律和维恩定律
M eCC2/1T51
Mλ黑体辐射出的能量密度 C1:3.17×10-6 C2:1.44×10-2 T:绝对温度
m • T a x 2 .8m 9 • K 7 m 30 m • K 00
在0 K时，Mλ趋于零。在一定绝对温度范围内，Mλ 随波长增加而上升，达到最大值后，又随波长增加 而下降。
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 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、组成晶体的元素的原 子量及化学键特性。
纯SiC的单色发射率与波 长的关系
3．原材料预处理工艺
• 同一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1400℃煤气气氛处理的氧化钛
对这种辐射的发射能力也很强。
4.朗伯定律
II0cos
• 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。
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 线的材料。
• 红外辐射材料可分为热型、“发光”型、热—“发光”混 合型三类。
• 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。
黑体 1.0
灰体 0.5
选择性 辐射体 0 λ
三类辐射体的单色发射率
ε(λ)
法向发射率εn
• 垂直于辐射表面的发射率 ，称为法向发射率εn
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 规律中反映出来。
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 可以看作是平衡。
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 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 出射度之比定义为光谱发射率ε（λ），也称为单色发射 率。
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。 主要介绍红外辐射材料
主要内容
• 1.1 红外线的基本规律 • 1.2 红外辐射材料
1.1 红外线的基本规律
• 1.普朗克定律和维恩定律 • 2.斯蒂芬一玻尔兹曼定律 • 3.基尔霍夫定律 • 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 和可见光一样是一种电磁波，波长在0.76~1000um之 间。
的常温发射率分别为0．81和0．86 。
4．温度
• 电介质材料的发射率较 金属大得多，有些随温 度升高而降低，有些随 温度的升高而有复杂的 变化。
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 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 整度的相对大小有关，与金属表面上的化学特征(如油脂 玷污、附有金属氧化膜等)和物理特征(如气体吸附、晶格 缺陷及机械加工引起的表面结构改变等)有关。
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， 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。
能
量
密
度
Planck 线
0
5
10
(104 cm)
2.斯蒂芬一玻尔兹曼定律
M M d6.4 C 2 49 C 14 •T4T4
辐射出射度与绝对温度的四次方成比关系
σ黑体的辐射常数，或称斯蒂芬一玻尔兹曼常数，等于 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）
• 该定律可用于任何热辐射体
M mT 4M
ε—发射率
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： • 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
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
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。 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 性和发射红外辐射的性能就不一样，而这往往与材料的晶 体结构有关。
• 氧化铝、氧化硅等电介质材料属于离子型晶体 • 碳化硅、硼化锆、氮化锆等材料属于共价晶体 • 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
• 红外加热技术主要采用热型红外辐射材料。
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
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。 • 发射率是红外辐射材料的重要特征值，它是相对于热平衡
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
• 材料发出辐ຫໍສະໝຸດ Baidu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，在短波段主要与其电子的跃迁 有关，在长波段则与其晶格振动特性有关。
• 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 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
• 红外线的辐射起源于分子的振动和转动，而分子 振动和转动起源于温度。所以在0K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 射，有时也叫它热红外。
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 影响，将它分为四个光谱区:
• 0．76~3um为近红外； • 3~6um为中红外区； • 6~15um为远红外区， • 15~1000um为极远红外区。 • 不同学科有不同的划分方法。
1.普朗克定律和维恩定律
M eCC2/1T51
Mλ黑体辐射出的能量密度 C1:3.17×10-6 C2:1.44×10-2 T:绝对温度
m • T a x 2 .8m 9 • K 7 m 30 m • K 00
在0 K时，Mλ趋于零。在一定绝对温度范围内，Mλ 随波长增加而上升，达到最大值后，又随波长增加 而下降。