[发明专利]一种制备高发射率红外节能材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及红外节能材料技术领域，更具体地说，涉及一种制备高发射率红外节能材料的方法。

背景技术

热工炉窑广泛应用于钢铁、石化、水泥和耐火材料等高能耗行业，据国家节能中心统计，我国热工炉窑每年消耗的能源占全国年总能耗的20％以上。然而我国热工炉窑的平均热效率只有30％，远低于发达国家平均已达50％的热工炉窑热效率。因此大力提升热工炉窑的热效率，是我国热工炉窑相关行业面临的重大问题。

红外节能材料，是一类通过强化1-5μm波段的红外辐射传热，提高热工炉窑热效率的新材料。从国内外报道以及相关生产实践可知，将红外节能材料应用于热工炉窑，可以节能5-25％以上。因此开展红外节能材料研发，对于我国实现向低碳经济跨越式发展具有非常重要的现实意义。

目前，国内外广泛应用的红外节能材料主要是非氧化物陶瓷(参考专利US7105047B2、WO2010019710A1、CN1552779A、CN101974259A)，如碳化硅、硼化硅或二者的混合物，其关键性能指标——红外发射率(ε)能够达到0.8至0.9左右。然而，这类非氧化物陶瓷普遍存在抗氧化能力差的共性问题，无法在高温下的氧化气氛中长期稳定服役。近年来，越来越多的研究者致力于高温氧化物体系红外节能材料的开发，所取得的代表性成果主要包括：堇青石陶瓷(S.Wang,EffectsofFeoncrystallizationandpropertiesofanewhighinfraredradianceglass-ceramics,Environ.Sci.Technol.44(2010)4816–4820.)、铁酸盐非晶陶瓷(L.Lu,X.Fan,J.Zhang,X.Hu,G.Li,Z.Zhang,Evolutionofstructureandinfraredradiationpropertiesforferrite-basedamorphouscoating,Appl.Surf.Sci.316(2014)82–87.)、磁铅矿型六铝酸盐陶瓷(H.Liu,Z.Liu,J.Ouyang,Y.Wang,InfluencesoflatticevibrationandelectrontransitiononthermalemissivityofNd³⁺dopedLaMgAl₁₁O₁₉hexaaluminatesformetallicthermalprotectionsystem,Appl.Phys.Lett.101(2012)161903.)等，其红外发射率一般处于0.7至0.84之间。但是，总体而言，与碳化硅、硼化硅等非氧化物陶瓷相比，目前所开发的氧化物陶瓷在其关键性能指标，即红外发射率方面尚有较大差距。因此，开发具有更高红外发射率的氧化物体系陶瓷材料显得十分必要。

基尔霍夫热辐射定律指出，在热平衡条件下，物质在同一波段的吸收率与其发射率相等。因此，提高材料的红外发射率应从提高其红外吸收率入手。目前，在如何提高材料的红外吸收率这一关键问题上，主要的指导理论是振动吸收理论，其实质是分子振动频率与红外光谱频率相同所导致的耦合吸收。根据该理论，为了提高红外节能材料在1-5μm波段的吸收率，应使其分子振动频率与1-5μm波段红外光谱的频率相一致。然而大部分高温陶瓷材料的分子振动频率位于波长8-14μm的中红外区域。基于谐振子模型和胡克定律可知，通过减小原子质量、增强原子间键合力，能够提高分子振动频率，使红外吸收峰向高频(短波)方向移动。由此可知，在高温陶瓷中，分子振动频率最高、特征吸收峰波长最短的应属含硼化合物，例如碳化硼、氮化硼，但其特征吸收峰位于6-7μm，即其分子振动频率与6-7μm波段红外光谱的频率相一致。可以看出，将振动吸收理论作为红外节能材料研发的指导理论，存在着明显的波长不匹配问题，即无法通过振动吸收理论的指导找到更高红外发射率的高温陶瓷材料。现有技术中，振动吸收理论已经无法作为红外节能材料研发的指导理论，红外节能材料的研发遇到了难以克服的理论和技术瓶颈。