近年来，中国经济得到飞速发展，但二氧化碳的排放量也逐年增加，承受着巨大的温室效应压力，所以节能减排是我国关注的重点。节能减排的关键措施之一是提高能源利用率，所以如何提高能源利用率一直是研究的重点。红外辐射涂料作为功能涂料之一，可有效提高工业窑炉、锅炉的能源利用率。在1980s，美国、日本、英国等国家就已经开始研究红外辐射涂料，我国相关研究起步较晚，在目前研究的红外辐射涂料主要是以过渡金属氧化物、堇青石系材料为主要原材料，可通过掺杂稀土元素进一步提高涂料的红外辐射性能，提高能源的利用率。

1 红外辐射涂料的节能机理

在工业窑炉或锅炉内热量的传递主要有热对流、热传导和热辐射。根据史蒂芬－波尔兹曼定律可知，黑体辐射能力的大小与温度的四次方成正比，所以随着炉内温度的不断升高，其辐射力呈现出急剧增高的趋势，因此在高温下，炉内传热方式主要是辐射传热。当炉内温度大于900℃时，炉内的热量主要是通过热辐射传递，当热量辐射到炉壁时，炉壁会出现三种传热方式，即热辐射、热传导和热对流，烟气会吸收反射的热量，从而将热量带出到炉外，进而使得热传导效率降低。如果将炉壁的发射率提高，红外辐射在热传导中占得比例增高，反射的热量就会减少，进而减少热量的损失，提高热传导的效率。从上述分析可以看出，当炉壁的发射率提高后，可达到提高热量利用率的目的，红外辐射涂料是一种可耐高温，并且具有超高发射率的功能涂料，因此将红外辐射涂料涂覆在炉内壁，可极大程度上提高内壁的发射率，进而达到节能的目的。

2常见红外辐射材料

红外辐射涂料一般是由多种红外辐射材料组成，单种材料在不同红外波段的发射率不同，并且在高温或与空气接触后发生反应，使其性能下降，不能被广泛使用。常见的红外辐射材料有过渡金属氧化物、堇青石系材料等，具有较高的红外发射率。

2.1  过渡金属氧化物红外辐射材料

过渡金属氧化物包括氧化铝、二氧化锰、氧化铜、三氧化铁、氧化镍、氧化铬、二氧化钛等，其最外层的电子容易发生电子跃迁，是常用的红外辐射原材料。尖晶石结构的金属氧化物稳定性好，可通过将碱金属离子、稀有元素掺入尖晶石空隙中，进一步提高材料的红外辐射性能 ^[1]。税安泽等人^[2]以三氧化二铁、二氧化锰、氧化铜、氧化钴、堇青石为原材料制备红外辐射涂料，该涂料刷涂在耐火砖上1000℃下烧结后测得2.5-5μm下的发射率大于0.98，2.5-25μm的发射率为0.85。张顺等人^[3]使用硝酸铜、硝酸铁、硝酸锰和硝酸钴、堇青石包裹球形石墨为原材料，通过微波加热的方式制备出Fe-Mn-Co-Cu复合尖晶石结构红外辐射材料，该材料是两层包覆空心球结构，发射率可达到0.92。

2.2 堇青石系红外辐射材料

堇青石是一种性能优异的硅酸盐材料，具有较小的膨胀系数，较好的稳定性和抗冲击性。不同离子半径的元素可通过替代堇青石结构中的离子或掺杂在堇青石的环状空隙中的方式改变堇青石的辐射性能^[5]。樊希安等人^[6]采用碳化硅、氧化铬、二氧化钛、二氧化硅、磷酸盐为原材料制备出红外辐射涂料，通过刷涂的方式将其涂覆在高铝砖表面。研究发现，当碳化硅的含量为40%时，红外发射率较高为0.8。该研究团队为了进一步增强涂层的发射率，采用高温固相烧结的方式，将相同比例的Fe₂O₃、MnO₂、Cr₂O₃ 和堇青石进行处理得到红外辐射基料，并通过离子喷涂的方式将其涂在碳钢表面，测得8-10μm的发射率为0.94，3-5微米的可达到0.80^[7]。

图1 堇青石结构立方图^[4]

3 稀土红外辐射材料

一些研究发现，稀土材料可一定程度上提高红外辐射涂层的发射率、热稳定性等，所以很多研究者将稀土元素加入到红外辐射涂料中。下面对集中辐射涂料中较为常用的稀土元素进行介绍。

3.1 铈

张海鑫等人^[8]以碳化硅、氧化铝为主要原材料，氧化铁为基本原材料，加入稀土元素铈及其他金属的氧化物，作为原子掺杂剂，进一步提高了红外辐射涂料的高温发射率，使得红外辐射涂料在高温下的发射率达到0.93。除此之外，该研究者还探究了煅烧温度对涂料发射率的影响，通过实验发现，随着煅烧温度的增加，产物的收缩率及硬度也逐渐增大，说明温度是促进晶型转化反应的重要因素，温度增高，反应也会更加完全。研究者通过实验发现，红外辐射基料的粒径在25-780nm范围内时，在保证涂层性能的情况下，可大大减少单位面积涂料的使用量。Ding S等人^[9]通过向镍铬尖晶石中掺杂二氧化锰和稀土氧化物进一步提高涂层的红外发射率。为了提高镍铬尖晶石体系在红外线长波段的发射率，通过以氧化镍、氧化铈、氧化镨、二氧化锰等为原材料，通过使用空气等离子喷涂的方式将粉料喷涂在基层上，通过研究发现，稀土元素的掺入可有效提高远红外波段的发射率，主要是因为稀土元素的加入可破坏镍铬尖晶石的晶格周期，从而达到提高发射率的目的，并且可将在1000℃的全波段的发射率提高到0.92。

3.2 镧

于浩淼等人^[10]使用氧化铝、纯刚玉、氧化锆、碳化硅、稀土氧化物、耐火材料作为原材料制备节能高温辐射涂料，研究发现加入稀土氧化镧后，可进一步提高涂料的反应活性，同时还能够有效提高涂层的稳定性，抗热冲击能力很好，涂层无开裂和脱落现象。贺刚等人^[11]采用铈掺杂镍铬尖晶石作为辐射基料，石英石和氧化锆为填充料，硅溶胶为粘结剂，该涂料可在基层表面形成致密的涂层，在1500℃下30天后，其在1-22微米的发射率仍有0.86；当将该材料替换为碳化硅时，同样条件下的发射率只有0.45，从上述对比可以发现，铈掺杂镍铬尖晶石可有效提高涂层的抗辐射率衰减性能。韩召等人^[12]研发了一种红外节能涂料，该涂料是以氧化镧和氧化铝作为原材料，制备成铝酸镧红外节能材料，该材料的发射率高达0.95，并且具有良好的热稳定性。曾维芳等人^[13]使用氧化镧、氧化铬、氧化镁、碳化硅、锆英粉等红外辐射材料制备了一种耐高温纳米辐射涂料，粘合剂包括铝溶胶、硅酸钠及磷酸二氢铝。该涂料可耐高温为1800℃，辐射率大于等于0.92，在1300℃高温下的抗热震性可大于等于5次，当涂料的厚度在0.1到0.2毫米之间时，涂层的使用寿命可达到6年或更久。

3.3 钇

司士辉等人^[14]开发了HETT系列用于高温窑炉的红外辐射涂料，该涂料采用锆英砂、氧化硅、氧化铝、三氧化二铁等作为基础原材料，通过加入水热法合成的氧化钇纳米稀土材料，有效提高了涂层强度及抗老化性。该种含有稀土元素的红外辐射涂料可在炉内壁形成坚硬致密的涂层能够将热效率提高1.5-3%，将炉外壁温度降低15℃左右。2018年，司士辉等人^[15]将HETT系列红外辐射涂料进行了升级，开发了含有酸掺杂的苯胺包裹金属氧化物复合材料，该材料通过高温作用分解成高温氮源，接着与氧化镧、氧化钇等金属氧化物在高温下生成相应的金属氮化物，金属氮化物与金属氧化物通过高温反应生成高温红外辐射材料，该材料可大大增强涂层在金属或无机表面的附着力。王登荣^[16]使用氧化钇、氧化铬、氧化锆、氧化钴、氧化锰、碳化硅、氧化钛、铁粉、粘结剂、烧结剂为原材料，开发了一种具有高发射率的红外辐射涂料，其发射率可达到0.97，使用寿命大于6年，最高可耐1850℃，节能率可达到13%。此高温红外涂料的粘结剂组分之一是高温复合胶溶液，主要是由纳米级的氧化钇、氧化铝、氧化硅、氧化锰、碳酸钙和水组成，通过水热合成法进一步合成高温复合胶溶液，其余粘结剂组分为羧甲基纤维素钠和硅胶溶液。此粘结剂较常规粘结剂而言，其耐高温及耐磨性能更好。

3 小结

        通过上述分析发现，稀土元素的加入可一定程度上提高红外辐射涂料的热辐射稳定性、发射率和附着力，并且稀土材料本身也具有较高的红外发射率，可考虑将氧化镧、氧化铈等稀土氧化物作为红外辐射涂料的基础原材料进行进一步研究。

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