紅外輻射散熱材料的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

張譽嚴(yán)　黃麗娜　韋華健　鄧新新　黎清寧

【摘 要】本文簡要概述了紅外輻射的原理，綜述了國內(nèi)外輻射散熱材料的研究現(xiàn)狀，及其在電子電器、節(jié)能建筑、航空航天等領(lǐng)域中應(yīng)用，并展望其未來的研究方向。

【關(guān)鍵詞】紅外輻射；散熱材料；電子器件；應(yīng)用

中圖分類號： TQ637 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）02-0041-002

【Abstract】This paper summarizes the principle of infrared radiation， and the research status of radiation cooling materials at home and abroad were reviewed，and its application in electronic appliances，energy saving construction， aerospace and other fields of application，and prospects its future research direction.

【Key words】Infrared radiation；Heat dissipation materials；Electronic devices；Application

0 引言

電子器件的發(fā)熱量隨著集成度的提高越來越高，嚴(yán)重影響電器壽命；在航空航天工業(yè)中，由于外部溫度升高導(dǎo)致航天器過熱，會影響航天器的正常安全運行；建筑在太陽照射下溫度較高，需要利用空調(diào)進行降溫制冷，消耗大量的電力能源。因此，在電子、建筑、航空航天等領(lǐng)域，都會面臨如何快速高效進行散熱的問題。目前常用的散熱方式都以熱傳導(dǎo)為主，但在空氣等應(yīng)用場景中存在熱量聚集的局限性，而輻射散熱材料具有很高的紅外發(fā)射率可以實現(xiàn)散熱功能，本文簡要介紹了紅外輻射散熱涂料的散熱原理，綜述了材料研究至今的一些研究成果，并對其未來的發(fā)展方向進行討論。

1 紅外輻射散熱的機理

紅外輻射，又稱熱輻射，紅外輻射可由分子和原子的震動以及其內(nèi)部的電子躍遷活動引起。只要物體的溫度高于絕對零度，就會不斷的發(fā)射和吸收熱輻射，始終處于發(fā)射和吸收的動態(tài)過程中， 所以物體之間發(fā)生的輻射傳熱是由于物體發(fā)射和吸收的熱量不等，即當(dāng)物體發(fā)射的熱量多過吸收的熱量，物體就會產(chǎn)生輻射散熱。在這個過程中，短波和長波的輻射分別與不同的因素有關(guān)聯(lián)，如電子躍遷對短波輻射有影響和晶格振動特性對長波輻射有影響。紅外輻射可分為3個區(qū)域，波長范圍在0.75～2.5μm為近紅外區(qū)，2.5～25μm為中紅外區(qū)，25～1000μm為遠(yuǎn)紅外區(qū)。近紅外區(qū)對應(yīng)電子能級之間的躍遷和分子振動泛頻區(qū)的振動光譜，中紅外區(qū)對應(yīng)分子轉(zhuǎn)動能級和振動能級之間的躍遷，遠(yuǎn)紅區(qū)對應(yīng)分子轉(zhuǎn)動能級之間的躍遷。在固體材料中將晶格振動頻率調(diào)整、晶格畸變和化學(xué)摻雜進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，可以提高晶體的紅外吸收性能，從而改善材料紅外輻射性能。 2 紅外輻射散熱材料的研究現(xiàn)狀

2.1 紅外輻射散熱陶瓷材料的研究現(xiàn)狀

由于陶瓷材料具有高輻射率、高強度、耐腐蝕、耐高溫和使用壽命長等優(yōu)點，是重要的紅外輻射散熱材料，國內(nèi)外對其進行了大量研究。楊金萍等[1]將合成好的堇青石和尖晶石型鐵氧體混合制備紅外輻射材料，當(dāng)尖晶石型鐵氧體含量超過40wt%時，8～14μm波段的發(fā)射率可達(dá)0.955，1～22μm全波段法相發(fā)射率在達(dá)到0.857。

藍(lán)立財?shù)萚2]將Ni2+和Cu2+離子加入到Mn1.5Cr1.5O4尖晶石陶瓷材料中，可以提高材料的輻射性能。當(dāng)Ni2+ 和Cu2+的摻雜含量為30%時，材料紅外輻射性能達(dá)到最大值，3～5μm 波段的紅外發(fā)射分別為0.737和0.929。

武曉燕等[3]將Ce4+加入到ZnO-MgO-Al2O3-SiO2體系尖晶石材料，改善了其輻射性能。在CeO2摻雜量為0.08wt%，燒結(jié)溫度為1200 ℃的情況下制得紅外輻射性能最好的樣品，5～15μm波段輻射率為0.91，12～15μm波段輻射率為0.94。

張霞等[4]利用了固相燒結(jié)工藝，將Tm3+引入后與Mg2+發(fā)生固溶置換，在一定條件下制得Mg1.84Tm0.16Al4 Si5O18的堇青石材料，其在2.5～25μm波段的紅外輻射率為0.91。

Wang等[5]采用熔融-晶化工藝的方法，以固體廢棄物粉煤灰、鈦渣及分析純MgCO3為原料制備陶瓷，結(jié)果表明，粉煤灰中的Fe3+高溫下會被還原為Fe2+，最后強化了堇青石基玻璃陶瓷在8～14μm波段的紅外發(fā)射率，發(fā)射率可大于0.9。

2.2 紅外輻射散熱涂料的研究現(xiàn)狀

紅外輻射涂料由輻射基料和粘結(jié)劑組成，能夠進行噴涂和刷涂，應(yīng)用范圍較廣。高建中[6]用納米二氧化硅、2-丙烯基-聚苯胺納米纖維和環(huán)氧樹脂等溶劑制成第一層涂層，用炭黑和環(huán)氧樹脂制成第二層涂層，兩個涂層使用在需散熱器件上。在LED散熱器件表面的實驗測試中，在89℃條件下能降溫9℃。

鄧玲玲[7]利用了SiC，SiO2，TiO2作為原料，以一定的比例混合并在一定的條件下制成了SiC-SiO2-TiO2復(fù)合材料，并利用儀器分析時發(fā)現(xiàn)在8～14μm波段時，其發(fā)射率最高達(dá)到了0.942。材料組分因素會影響復(fù)合材料的發(fā)射率，當(dāng)SiC，SiO2，TiO2三種原料的質(zhì)量比為2：2：6時發(fā)射率最大。

聶鈺節(jié)等[8]以水性有機硅樹脂為基料，采用SiC為填料制備了水性散熱降溫涂料。當(dāng)SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，粒徑為60nm時，涂層降溫11.5℃，能有效緩解散熱問題。

汪國華等[9]用納米炭黑、水性樹脂作為填料再使用添加劑和溶劑，得到了納米炭黑散熱涂料，在80℃條件下最大可以降溫18℃，具有良好的散熱效果。

3 紅外輻射散熱材料的應(yīng)用

3.1 電子電器行業(yè)

由于智能手機、筆記本電腦、智能手表、電視機電子器件的集成度和使用要求越來越高，器件的發(fā)熱問題越顯嚴(yán)重。紅外輻射涂料具有優(yōu)良的散熱效果，已成功運用在的電子器件散熱方面[6-9]，對于解決電子器件發(fā)熱嚴(yán)重的問題有著重要的作用和意義。

3.2 航空航天領(lǐng)域

當(dāng)航天飛行器在飛行時由于空氣摩擦而產(chǎn)生大量的熱，這些熱可使航天飛行器的表面溫度達(dá)到1000℃甚至更高，極可能導(dǎo)致航天飛行器發(fā)生事故。美國國家宇航局研究發(fā)現(xiàn)，提高航天飛行器表面的輻射發(fā)射率，能有效的降低機身表面的溫度，發(fā)射率只需要提高到0.55，就可以達(dá)到降溫300℃的效果。具有良好耐磨性和強度的紅外輻射散熱材料涂料已成功運用在航天飛行器等領(lǐng)域中上。

3.3 節(jié)能建筑

建筑物在太陽光照作用下溫度急劇升高，利用空調(diào)制冷會導(dǎo)致大量的能源消耗。 在太陽能量分布中，近紅外波段占總能量的51%，因此通過紅外輻射散熱材料能有效降低建筑物溫度，能起到節(jié)能降耗的作用，帶來可觀的經(jīng)濟效益[10]。

4 結(jié)語

紅外輻射散熱材料具有高強度、耐腐蝕、耐氧化性等優(yōu)點，已成功應(yīng)用于電子電器、節(jié)能建筑、航空航天等領(lǐng)域中。目前在紅外輻射散熱涂料的基料研究中取得了較多成果，但還存在粘合劑的強度和使用壽命等問題，影響著涂料使用的領(lǐng)域，如何合理匹配粘合劑和基料，提高涂料的強度、抗氧化性、抗腐蝕性和絕緣性，是紅外輻射散熱涂料主要研究方向之一。此外，為了更好的提高紅外輻射散熱材料的綜合性能，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，還應(yīng)從納米化，復(fù)合化及功能多樣化等方面加強研究，形成完整的紅外輻射散熱材料研究體系。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]藍(lán)立財，趙韋人，鐘劍明，等.Cu2+ 摻雜Mn1.5Cr1.5O4材料的結(jié)構(gòu)及其紅外輻射性能[J].功能材料，2014，45（22）：22139-22142.

[3]武曉燕，于宏兵，耿麗娟.Ce4+對ZnO-MgO-Al2O3-SiO2體系紅外輻射性能的影響[J].人工晶體學(xué)報，2012，41（6）：1639-1642.

[4]張霞，焦寶祥，王威.Tm3+摻雜堇青石的制備及紅外輻射性能研究[J].人工晶體學(xué)報，2010，39（5）：1329-1331.

[5]Wang S M，Liang K M. High infrared radiance glass-ceramic obtained from fly ash and titanium slag[J].Chemosphere，2007，69： 1798-1801.

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[7] 鄧玲玲.新型紅外輻射材料的制備及其在LED中的應(yīng)用[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文，2013.

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[10]程明，吉靜.近紅外區(qū)具有高反射率的建筑節(jié)能涂料的研究進展[J].化工進展，2008（01）：12-15.