尖晶石铁氧体的制备及高温高红外发射率研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhucejuren2011
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红外辐射材料强化传热以热辐射方式进行,有利于改善受热区域的温度分布,降低热耗损。因而已广泛应用在工业炉节能、隔热涂料、医疗保健、红外加热、航天器热控制等方面。它的研究和开发利用,对推动节能、加强环保、改善医疗等有重要意义。因此,红外辐射材料作为一种拥有优异光热转换功能的节能材料,吸引了国内外学者的注意。尖晶石结构的铁氧体材料因其具有较高的发射率,成为备受关注的红外辐射材料之一。材料的微观结构和宏观形貌对自由载流子浓度、自由载流子迁移率、禁带宽度、电磁波的散射、反射和吸收特性均有很大的影响,进而调节材料的红外发射率。基于此,本论文以Mn-Fe-Co-Cu尖晶石结构为基础,研究了不同制备方法和条件对Cu Fe2O4红外发射率的影响,寻找不同体系尖晶石结构红外辐射材料的最佳组分和制备条件,并探索了影响红外发射率性能的关键参数,为尖晶石结构高红外辐射材料的微观机理、材料选择、制备和应用等提供理论依据和参考。本文主要研究内容及结果如下:(1)针对目前研究较多的Mn-Fe-Co-Cu体系材料,我们采用固相法成功合成了一系列的Mn-Fe-Co-Cu尖晶石结构材料,系统表征了材料的微观结构与性能。实验结果表明,适当的提高煅烧温度会使产物晶格振动和电子跃迁增强,因而提升发射率。但是煅烧温度过高,晶格振动和电子跃迁减弱,因而发射率降低。随着MnO2含量增加、煅烧时间的延长,都可以降低材料的带隙宽度,易于电子跃迁,提高样品的发射率。但是继续增加,会使电子跃迁困难,发射率降低。随着测试温度的升高,电子跃迁加剧,发射率增加。综上,获得最高发射率的制备条件是:MnO2含量为50%,热处理温度为1150oC,热处理时间为3h,3~5μm波段在测试温度40~800oC之间的发射率为0.649~0.970。这种方法在制备过程中需要的烧结温度比较高,能耗较大。(2)为了降低热处理温度并改善目前Cu Fe2O4体系材料红外发射率性能,我们采用溶胶-凝胶法制备了CuFe2O4铁氧体材料。实验结果表明:适当的提高热处理温度和干燥温度可以增大材料的比表面积,进而提高发射率;但是热处理以及干燥温度过高,会使晶粒尺寸过大,比表面积下降,进而降低发射率。柠檬酸与总金属含量的比值(CA/MC)即CA/MC=1:1时,柠檬酸可以和金属离子完全络合,因而能够完全反应,进而发射率较高。适当的延长热处理时间以及增加热处理的次数对获得高发射率有利;但时间过长和次数过多会使晶粒长的过大,晶粒之间的界面吸收减少,降低发射率。当180oC干燥、CA/MC=1:1以及在800 oC热处理6h、热处理次数为2次时,在3~5μm波段测试温度范围为40~800oC时高红外发射率为0.479~0.920。这种方法与固相法相比,烧结温度从1150oC降低到800oC,有利于高效节能。此时发射率虽然较高,但依旧有进一步提升的空间。(3)为了进一步提高CuFe2O4材料的发射率,以金属氯化物为原料,聚乙二醇20000为表面活性剂,草酸钠为沉淀剂,采用溶剂热法制备了CuFe2O4材料。发现适当提高热处理温度,可提高产物的结晶度和纯度,使禁带宽度变窄,发射率增加。但是温度过高会导致粒径太大,比表面积减小,进而降低发射率。热处理时间增加会提高产物的结晶度,有助于获得高发射率;但是时间过长会使晶粒过大,粒子之间的散射变大,粒子之间的界面变小,界面之间吸收变小,发射率降低。不同于溶胶-凝胶法,溶剂热法制备的CuFe2O4的发射率随热处理次数增加而降低。溶剂热法制备CuFe2O4,获得最大发射率的条件是:当热处理次数为1次,溶剂热温度为160oC,溶剂热时间为8h,热处理温度为1000oC,热处理时间为5h时,CuFe2O4在3~5μm波段的发射率在测试温度40~800oC之间为0.678~0.965,与测试温度呈正相关。与溶胶-凝胶法相比,红外发射率有了较大的提升。(4)因为溶剂的不同物理化学性质会影响最终产物的纯度、形貌、粒径,所以采用不同的溶剂经过溶剂/水热法成功制备出了Cu Fe2O4材料,研究了不同的溶剂对材料的形貌、结构、性能的影响作用。结果表明:改变溶剂对最终产物的晶体结构没有显著的影响,但是对结晶度、粒径、禁带宽度影响较大。乙二醇或甘油的单一有机溶剂有利于形成纯的、高结晶度CuFe2O4,所得的产物的粒径较大,禁带宽度较小,发射率较大。溶剂水的存在会使产物中出现杂相,降低样品的结晶度,减小产物的粒径,增大禁带宽度,进而降低发射率。以单一的乙二醇作为溶剂时,获得CuFe2O4样品的结晶度最高,发射率最大。在测试温度40~800 oC时,发射率为0.649~0.965,与试样所处温度呈正相关。(5)考虑到表面活性剂同样会影响最终产物的形貌、粒径、带宽。因此,采用不同的表面活性剂制备CuFe2O4材料,探索表面活性剂与材料晶体结构、微结构及性能之间的关联。研究发现表面活性剂种类对产物的结构影响不大,但是会影响结晶度及微观形貌。另外,添加表面活性剂可以显著提高产物的发射率。测试温度在40~800 oC时,无表面活性剂时,CuFe2O4材料的发射率值为0.459~0.925;以CTMAB作为表面活性剂时,CuFe2O4材料的发射率值为0.622~0.968,与试样所处温度呈正相关。
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