红外线是由于物质内部的运动变化如
分子、离子和原子等的振动、转动、电子跃迁
等而辐射的电磁波。
http://210.32.33.238/resource/wfdata/expertpapers/%E6%9D%8E%E5%85%A8%E7%A6%84%5C%E8%BF%9C%E7%BA%A2%E5%A4%96%E8%BE%90%E5%B0%84%E6%9D%90%E6%96%99%E7%9A%84%E7%A0%94%E7%A9%B6%E5%8F%8A%E5%BA%94%E7%94%A8.pdf
第卷第期
年月
压电与声光
压〕
远红外辐射材料的研究及应用
李全禄
陕西省物理研究所, 西安, 。。
摘要简述了红外线及远红外线的基本理论, 以及远红外辐射器的结构, 着重介绍了远红外
辐射材料的组成、性质及其应用。最后, 对远红外线及远红外线辐射材料未来的新应用和有关研究
与发展的问题作了探讨
关镇词远红外线, 远红外线幅射材料, 红外技术
一
, , ,
加一一
, ,
一, ,
引言
随着科学技术的发展和解决多种领域实
际间题的需要, 人们对红外技术的研究显示
出新的兴趣。红外线即红外辐射, 实际是波长
比可见光长的电磁波。它的波长范围由
“ 。由于它在可见光谱红色端以外,
红外线即由此得名。这一段波长的电磁波当
然是人眼所看不见的人眼所能看到的可见
光仅仅是波长为拼的极狭窄的
范围, 因为这种射线中含有相当多的热能,
所以又称热射线或热辐射。物体受热还没
有红炽时所发出的射线几乎全是红外线。太
阳光里有大量的红外线, 它在穿透大气时很
少损失。人工的红外线可用红外线辐射器和
其它的辐射源来产生。深入研究红外辐射源
及其材料对红外技术的应用与发展都具有重
要意义。本文简要介绍红外线特别是其中的
远红外线的基本知识, 有关远红外辐射器的
基本构造结合作者的专业研究方向和特点,
着重对远红外辐射材料的组成、性能及其重
要应用进行研究探讨, 对其未来的重要应用
方向及其发展问题给予了一定的评估。
红外技术的基础理论
红外线是由于物质内部的运动变化如
分子、离子和原子等的振动、转动、电子跃迁
等而辐射的电磁波。描述红外线电磁波的
参数有辐射强度和波长等。红外线可进一步
分为两个或三个部分, 如图所示。但是这种
区分近红外、中红外和远红外的界限并没有
统一的规定。一般把波长在即的
称近红外拜的称中红外
。拌的称为远红外即长波长红外线。
从红外线本身的物理作用来说, 所划分的几
部分并没有明显的差异, 有时也以拼为界
陕西省自然科学基金资助项目
本文年月日收到
压电与声光年
暨谴董金亘上回菌兰二
派红外中红外哄飞诬日
近红外远红、外
尸
图红外线的分类
限, 把拌以下称为近红, 把拌以上称为
远红外。描述红外线热辐射特性的基本定律
有基尔霍夫定律‘ 、斯蒂芬
一玻耳兹曼定律一’ 、
维恩定律‘ 和普朗克公式
‘ 等。本文只此提及, 不再
赘述。
由产生红外线的机理所决定, 凡是温度
高于一℃ 一的物体
都能产生红外辐射。因而自然界里的所有物
体都可看作是红外线的辐射源, 只是波长、强
度和发射率等不同。物体的温度越低, 其辐射
波长越长即远红外的成分多一些, 如几十
度的物体辐射波长为上百微米。黑体
若物体对电磁辐射的吸收率
与投射于其上的辐射波长和表面温度无关,
并恒等于, 则此物体称为黑体。在一定温度
下, 对于所有波长来说, 黑体与其它物体相比
具有最大的辐射功率, 因而黑体是研究热辐
射规律的理想辐射体, 或者说是完全的吸收
体温度与其峰值辐射波长的关系可用又
表示一般物体的热辐射也常用此公式
估计。式中子表示绝对温度, 几表示峰
值波长印。除了自然界无数的红外辐射
源, 如太阳可见光区辐射最强, 但它也是很
强的红外辐射源, 恒星、行星、天空、地球表
面、山川、树木、大气、云雾、热气体、各种金属
以及人体外, 还有目标辐射源, 如涡轮喷气发
动机、火箭、地面车辆等等。为了满足科研与
生产的需要还制作了很多总辐射率及分谱
辐射率都很强的人工辐射源如黑体型辐射
源、发光硅碳棒、能斯脱灯、碳
弧、汞气灯、钨灯、氛灯、红外激光器及红外探
照灯等。一个好的吸收体也是好的辐射体。黑
体辐射的总能量与它的绝对温度的四次方成
正比。实践证明, 通过吸收红外线而加热, 并
不是任何物质都适用, 只是对红外线敏感的
物质有效, 这就有必要预先知道什么样的物
质对红外线是敏感的以及其强烈吸收的波长
在哪些区域。应以某物质吸收特性在标准光
谱表上公布的吸收区间为准。总之, 远红外线
具有红外线的一切性质, 只是由于其波长较
长穿透力强, 在红外线应用中具有近、中红
外线所不能及的作用。红外技术是一门较新
的科学技术。其萌芽期可追溯到” 世纪末,
到本世纪前半叶形成, 年代初有所发展,
年代的特点是向其它技术领域内渗透, 同
其它相关技术结合发展新的应用。在军事、工
农业生产、医学、观测和科研等各个方面有了
许多重要的具体应用。
远红外辐射器的构造原理
远红外辐射器件及装置, 基本上都是在
基体金属或合金, 或熔融石英管上涂覆选
定辐射波长等特性的远红外辐射物质材
料, 加热使其辐射出所要求强度的远红外线
以供利用。远红外辐射器件的设计与制造形
式很多, 根据不同的需要有不同的形状, 按现
在畅行的制品可分为以下三类
管状发热器— 型远红外辐射
器这种辐射器结构一般最为普遍, 也是实
验室试验所常用的形式, 如图所示。就是在
金属氧化物
一金属管
加热部日卜一一一一二全耸丫一一—叫叫非加热部
一叫叫
一
加热长一一一, 叫巴工一
管径
图远红外辐射器件的结构
第期远红外辐射材料的研究及应用
金属管等管体表面, 以最适当的粒径及粒子
分布, 用适当的量喷涂或烧结上选定的远
红外辐射材料, 在金属壳的中心部分放进金
属电阻发热体, 其与管体间填充了等
绝缘物质, 电阻发热体一合金线等, 通
电, 产生的热经过传给金属管壁使金
属表面的远红外辐射材料加热, 使其辐射出
供利用的远红外线。
灯状发热器—
一型远红外辐射
器这种辐射器致使远红外辐射材料辐射出
的远红外线经由灯泡状抛物面反射罩内侧反
射, 形成平行光线向前传播。
板状发热器— 型远红外辐射
器这种辐射器涂覆着远红外辐射材料的基
材是板状的远红外辐射器, 发热部分呈平面
状, 电热丝埋在板内, 有良好的耐氧化性, 不
需用反射板, 温度均匀, 适宜于处理固定物
件。
远红外线是辐射热, 是由构成其辐射材
料的晶体的晶格振动等产生的, 直线传播, 不
受中间空气层的影啊而直接照射被加热物,
使其得到处理。加热温度与照射距离成反比,
加热器与被照射物之间的距离愈小, 照射
效率愈高, 但距离太小可能会产生热量分布
不均匀的现象。为了消除热量散乱的情况, 距
离范围一般在最为合
适。
远红外线辐射器中的发热器, 根据需要
还有用以照射处理物内部的圆筒状发热器
有灯状发热器的变形。以取代过去使用红外
线灯泡而与普通灯泡有同样插头的发热器
有以加热直径仅为的极细微部分物品
为对象的发热器有为辐射处理液体而设计
的特殊加热器还有带状发热器及长盘状发
热器。发热器的设计是灵活多样的以上只介
绍了三种最常用的发热器形式。发热器的接
线方法有单相接线电源包括串、并
联单相接线二电源包括串、并联单相
接线电源, 包括并联以及三相接线
接线△ 接线串联△ 接线, 丫形接线串
联形接线。
还有, 在实验中, 远红外辐射器的热源不
限于只是电加热器, 也可用煤气、火焰或其它
形式的热源。
远红外辐射材料的组成、性质及应用
为了获得远红外线主辐射波长范围合
适, 辐射功率大, 而且机械性能良好, 在高温
时不易剥落和碎裂, 便于加工制作等特点的
远红外辐射材料, 经过长期对远红外辐射的
产生与材料的远红外辐射规律, 远红外辐射
与物质的相互作用, 远红外辐射的吸收与探
测等有关现象的机理和特性等的研究, 形成
了较系统的远红外线基本理论。反过来又指
导有关研究工作, 以改进提高远红外辐射材
料的性能。
远红外辐射材料的性质和组成
截止目前, 由实验室扩大到生产实际应
用中的远红外辐射材料, 有如半导体氧化钦
卜。或属于元素周期表第二、第三周期
元素的至少一种以上的氧化物和属于第四、
第五周期至少一种以上的氧化物的混合物
也有以· 错石为主体并有、
、、、等氧化物加以有枯度物质组
成之混合物。这些混合物粒度一般使用
拌的微粉末、粒子或添加枯合剂
而造粒的粒子更好, 通过烧结或用等离子
熔射, 火焰熔射等进行熔接。也有用耐热粘
接剂枯接使用的枯接剂有吠喃
系粘接剂、苯酚系粘接剂、硅系粘接剂、磷酸
氨或第一磷酸铝系无机枯接剂等电绝缘性能
优良的粘接剂, 涂覆厚度一般在
。印, 再在其上涂覆远红外辐射材料。这
些远红外辐射材料通过烧结烧结要在其磁
化温度以下进行烧结温度范围在
刘℃ · 烧结工艺可以在烧结陶瓷的普通气
氛中进行。这里特别说明一点, 不论那种远红
外辐射材料是经过烧结还是用离子熔射、火
焰熔射等方法制成的“ 陶瓷材料” 它和一般
概念的电子陶瓷不同不完全是高温化学反
压电与声光年
应而形成的固溶体。而这些经过高温处理之
后的远红外辐射材料, 有些还处于混合物状
态, 有些处于熔融物, 形成新的固溶体陶瓷的
也为数不少, 但这要取决于多仲组分是否在
高温条件下能否进行充分的固相反应。表
列出了在加热时能辐射出户波长的
远红外线的陶瓷材料是指金属碳化物、金属
表一些远红外辐射陶瓷材料
元素碳化物氮化物硼化物
。
卜入
,
玫
氧化物
玫
卜卜
,
,
卜,
城喻渐玫石,
氮化物、金属硼化物和金属氧化物等无机化
合物的一种或两种以上的混合物, 熔融物或
固溶体, 其加热温度范围在之
间。通过实践筛选出以和为主要
成分的远红外辐射材料的组成为环
一和一
以及生一一
‘ ’
一厂一、
一小一、’ 、等其主辐射波
长在一拼辐射功率大能量高。以下是
常用的主辐射波长在一。, 的远红外辐
射材料的组成
·
一一
一
一
一
· 一
一· 。一粘土。
远红外辐射材料的应用
由于远红外线的热辐射作用强, 易于被
其它物体质吸收而转化为其内能由于其
波长较长, 在通过气体介质时不易发生散射
而直线传播, 直接辐射被处理物且具有强的
穿透能力同光一样, 能使用反射装置。另外,
与近红外相比, 远红外线在被物质吸收时不
会因颜色不同而引起吸收差异含有水分的
多数有机物质、高分子材料等, 在远红外区具
有更多的吸收带, 因而在同等情况下远红外
辐射器就能比近、中红外辐射器在处理物质
时取得好的效果。所以, 远红外线除了适合
近、中红外线都适应的场合外, 还具有许多独
到的应用方面, 因而远红外线的应用十分广
泛。
远红外线在加热与干燥技术中的应
用
利用远红外辐射器发出的远红外线为被
加热物体吸收, 直接转变成热而达到加热干
燥的目的。它特别适用于各种有机物、高分子
物质及含有水分的各砷物质的加热和干燥。
诸如各种树脂、油漆、枯接剂涂膜的烘烤, 粮
食、蔬菜、食品、纤维制品、塑料制品、胶合板、
纸张、印刷、油墨粉末制品、金属加工、车辆涂
饰、玻璃、橡皮等加热干燥、硬化和热加工等。
在此方面的代表性应用如下
涂饰工业车辆、窗框、缝纫机、机
械、机壳、油筒等表面涂饰的干燥烘烤静电
涂饰哄干真空喷镀斜角外涂层供烤修补
第期远红外辐射材料的研究及应用
车体及船舶定期修理涂饰的干燥。
塑料工业原料树脂干燥氨脂类
薄膜硬化泡沫皮革酸化各种环氧树脂的硬
化、加工各种薄膜的层压醋酸乙烯糊状树
脂的含浸硬化真空成型、中空成形的预热软
化丙烯、氯烯厚板等的弯曲加工氯乙烯管
等厚物的软化弯曲加工各种乳胶、糊状树脂
脱水硬化和各种胶带的粘结剂干燥。
印刷工业照相凹板印刷、胶版印
刷、丝网印刷、用水性油墨印刷乙烯基清漆
涂层加工、玻璃纸印刷、石墨印刷、集成电路
基板印刷和金属印刷等的干燥硬化。
金属工业铁板层压加工、铁板脱水
干燥、金属装饰板的脱水干燥。
木材胶合板工业木质装饰板的印
刷加工印刷胶合板板类树脂加工胶合板
保温材料的干燥木质家俱的涂饰烘烤。
食品工业茶、紫菜、尤鱼、蘑菇、干
菜、各种水产品和各类挂面的脱水干燥烤面
包、饼干、食品的保温加热、加工罐头食品灭
菌以及食品包装的热源。
纺织工业尼龙、聚醋纤维的热定
形尼龙带的硬化含浸氯乙烯和醋酸乙烯乳
胶液的加工硬化尼龙纤维的脱水干燥防水
防缩树脂的加工及印染、上浆加工毛织物的
整理加工、漂白染色工业的水分干燥和纤维
上浆干燥。
造纸工业特殊纸水分干燥纸制
品的防水树脂加工厚纸板的防水加工电植
绒的干燥层压纸品的加工以及含浸聚氯乙
烯的纸品硬化。
玻璃和制瓶工业制造安全玻璃时
合成树脂的粘合干燥制品的商标、刻度、文
字、图案的干燥酒瓶及玻璃仪器洗涤干净后
的脱水干燥。
制药工业丹、丸、膏、散、片和胶类
药物的盛器的消毒干燥成品商标、标签的张
贴干燥和粉末制剂的干燥。
电气电子工业电冰箱、洗衣机、电
风扇、冷冻机、混合器的涂饰烘烤集成电路
基板印刷的加工处理电容、电阻的加工干
燥变压器铁蕊和漆包线的油漆干燥。
橡胶工业橡胶制品的粘合干燥糊
状树脂的脱水以及原料预热软化。
皮革工业皮革树脂加工硬化和糕
皮熟皮的加工干燥。
照相工业胶卷干燥和印相纸的干
燥加工复印机的印相干燥和照片的定影。
。其它电镀制品和电缆制品的干燥
等。
远红外辐射材料在医疗上的应用
用远红外线辐射到人体表面来达到治疗
某些疾病的目的。人体皮肤在受到远红外辐
射刺激之后, 皮肤上的神经就能把此种刺激
向上传导到大脑, 脑神经就会立即产生反应。
在产生的各种反应中, 以植物性神经和内分
泌腺活动最为活跃。植物性神经是管理内脏
和血管收缩的。植物性神经的活跃, 必然引起
内脏活动加强, 血管扩张, 血流加快。如此一
来, 身体的机能就大为振奋, 身体抵抗力也大
大加强。在植物性神经活跃的同时, 内分泌腺
也大大地活动起来。内分泌的许多功用之中,
有的是加强人体防御力量的, 有的是使人体
更适应环境的, 有的则具有动员人体力量的
作用, 因此, 使某些疾病得了改善或治疗。远
红外线能使被照射部位发生充血、组织松软、
镇痛, 有消炎增强人体抵抗力的作用。也可用
于急性或慢性损伤、发炎、疼痛等症, 对于风
湿性疾病和关节炎有疗效。与在已有系列远
红外治疗仪器在研制和生产, 同时也有系列
远红外健身器上市, 此类理疗和保健产品的
远红外线辐射器都是由各类远红外辐射陶瓷
材料组成的。实践也证明, 远红外辐射治疗和
保健设备对、体无任何副作用。
远红外线消除金属焊件局部应力
在石油化学工业中的各种反应塔、罐压
力容器大型电力变压器油箱, 大口径钢管以
及其它工业中钢板焊接过程中消除局部应
力是必不可少的重要程序。否则在高温高压
下使用时焊接处的内部应力容易发生局部
压电与声光年
裂伤, 从而可能引发事故造成损失。消除应力
需要给予一定的热量, 对加热器的设备要求
是不论钢板厚度尺寸如何都能均匀地加热,
并且能重复所需加热程序, 施工简便。实践证
明远红外加热器钩成的立力消除装置具备这
种条件, 而且处理效果好, 已有实用。此处需
说明的是, “ 应力消除”与“ 退火”不同, 退火需
将钢材温度加热到其相变温度以上再缓缓冷
却而消除应力必须严格地保持温度在其相
变温度以下一般为亡左右进行处理。
远红外辐射育种和处理农作物种子
远红外辐射育种是辐射育种中的一个手
段, 通过远红外辐射处理作物来诱发突变, 从
中选育出优良变异个体, 通过一系列育种程
序, 培育出新品种。远红外射线也可以改变微
生物细菌的遗传特性, 培养有用的优良菌种。
用远红外线适当处理农作物种子, 有利于其
吸水和呼吸, 有提高发芽率和提早成熟及增
产的作用。国内外在此方面的研究和应用都
有良好的进展。
远红外线处理食品
在现代食品工业中, 远红外线在其干燥、
灭菌、保鲜和保护营养成分方面都有一定的
应用。例如, 对鱼类辐射远红外线, 不仅照射
到鱼类的肉表面, 而且还深透到其内部。这种
处理不但可均匀地使其加热干燥, 而且远红
外线还能使鱼类肉中的磷酸酶的活性降低,
以使鱼肉内肌贰酸的生成量增大, 起到鱼类
的滋味加浓与保鲜的作用。
结语
着其它相关技术的发展, 相互渗透和结合的
可能性是存在的, 以下几个方面的问题值得
进一步探讨和试验并可望取得进展。
对于远红外辐射材料的研究仍是课
题之一, 能够通过多种材料的复合得到预定
辐射波长, 辐射强度的远红外辐射材料。特别
需要能研制出辐射频谱跨越远红外和微波波
长低端的所谓“ 宽带光谱辐射材料” 。其潜在
应用的一个方面是, 综合远红外治疗和微波
治疗特点的“ 宽带频谱治疗仪” 。其它方面的
应用亦将拓宽。
为了适应一些对疾病要求保守治疗
避免手术治疗或要求体外治疗和治疗家庭
化等, 远红外治疗则大有潜力可挖。故小型
化、系列化远红外治疗仪与健身器仍是发展
方向。也可与中草药结合, 或与针灸、薰蒸治
疗结合, 扩大治疗范围和进一步提高疗效。
。多种用途的新型远红外辐射器的研
制与开发与其它技术结合的多功能器件的
研制, 例如具有温度控制功能远红外加热箱。
新型的系列远红外探测器件的研究,
以解决较宽频谱分析所需。
自动化、流水线型远红外联机处理设
备的研制和使用。
远红外线性能测量设备的研究。
探索远红外辐射材料有益于、们生
活的可行性。例如, 添加在室温下辐射率高的
远红外辐射材料进入人们居室中壁纸、墙壁
粉刷涂料以及油漆家俱的油漆中, 以优化人
们居室环境等。
远红外线和远红外辐射材料这门较新的
技术的研究与发展远没有结束, 许多潜在的
应用还有待开发从实际中提出的新问题也
有待深入研究并找到相应的解决途径基础
研究更有待加强。
作者结合有关方面的研究工作认为随
参考文献
上海科学技术情报研究所远红外加与干
燥译文集年
日本专利特开昭一
美国专利叼
甚涂装七涂料孟
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