紅外輻射散熱材料的研究及應用現狀

張譽嚴 黃麗娜 韋華健 鄧新新 黎清寧

（桂林電子科技大學材料科學與工程學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

電子器件的發熱量隨著集成度的提高越來越高，嚴重影響電器壽命；在航空航天工業中，由于外部溫度升高導致航天器過熱，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為主，但在空氣等應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射率可以實現散熱功能，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，就會不斷的發射和吸收熱輻射，始終處于發射和吸收的動態過程中，所以物體之間發生的輻射傳熱是由于物體發射和吸收的熱量不等，即當物體發射的熱量多過吸收的熱量，物體就會產生輻射散熱。在這個過程中，短波和長波的輻射分別與不同的因素有關聯，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個區域，波長范圍在 0.75～2.5μm 為近紅外區，2.5～25μm 為 中紅外區，25～1000μm為遠紅外區。近紅外區對應電子能級之間的躍遷和分子振動泛頻區的振動光譜，中紅外區對應分子轉動能級和振動能級之間的躍遷，遠紅區對應分子轉動能級之間的躍遷。在固體材料中將晶格振動頻率調整、晶格畸變和化學摻雜進行適當的調整，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狀

2.1 紅外輻射散熱陶瓷材料的研究現狀

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點，是重要的紅外輻射散熱材料，國內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，當尖晶石型鐵氧體含量超過40wt%時，8～14μm波段的發射率可達 0.955，1～22μm全波段法相發射率在達到 0.857。

藍立財等[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Ni2+和Cu2+的摻雜含量為30%時，材料紅外輻射性能達到最大值，3～5μm 波段的紅外發射分別為 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]利用了固相燒結工藝，將Tm3+引入后與 Mg2+發生固溶置換，在一定條件下制得Mg1.84Tm0.16Al4Si5O18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波段的紅外發射率，發射率可大于 0.9。

2.2 紅外輻射散熱涂料的研究現狀

紅外輻射涂料由輻射基料和粘結劑組成，能夠進行噴涂和刷涂，應用范圍較廣。高建中[6]用納米二氧化硅、2-丙烯基-聚苯胺納米纖維和環氧樹脂等溶劑制成第一層涂層，用炭黑和環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復合材料，并利用儀器分析時發現在8～14μm波段時，其發射率最高達到了0.942。材料組分因素會影響復合材料的發射率，當SiC，SiO2，TiO2三種原料的質量比為2:2:6時發射率最大。

聶鈺節等[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SiC質量分數為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用

3.1 電子電器行業

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，器件的發熱問題越顯嚴重。紅外輻射涂料具有優良的散熱效果，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熱嚴重的問題有著重要的作用和意義。

3.2 航空航天領域

當航天飛行器在飛行時由于空氣摩擦而產生大量的熱，這些熱可使航天飛行器的表面溫度達到1000℃甚至更高，極可能導致航天飛行器發生事故。美國國家宇航局研究發現，提高航天飛行器表面的輻射發射率，能有效的降低機身表面的溫度，發射率只需要提高到0.55，就可以達到降溫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域中上。

3.3 節能建筑

建筑物在太陽光照作用下溫度急劇升高，利用空調制冷會導致大量的能源消耗。 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，能起到節能降耗的作用，帶來可觀的經濟效益[10]。

4 結語

紅外輻射散熱材料具有高強度、耐腐蝕、耐氧化性等優點，已成功應用于電子電器、節能建筑、航空航天等領域中。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，拓寬其應用領域，還應從納米化，復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。

［1］楊金萍，王春梅，魏恒勇，等.高輻射率紅外陶瓷材料的制備及性能研究[J].

［2］藍立財，趙韋人，鐘劍明，等.Cu2+摻雜 Mn1.5Cr1.5O4材料的結構及其紅外輻射性能[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.

［6］高建中.紅外線輻射復合散熱涂料及涂料的制備和噴涂方法[P].中國:CN101659829A，2010-03-03.

［7］鄧玲玲.新型紅外輻射材料的制備及其在LED中的應用[D].廣州:廣東工業大學學位論文，2013.

［8］聶鈺節，金鹿江，杭建忠，等.水性納米復合散熱降溫涂料的制備及其性能研究[J].功能材料，2013，5(44):736-743.

［9］汪國華，王日精，王小紅，等.一種納米炭黑散熱涂料及其制備方法[P].中國:CN102250546A，2011-11-23.

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