Wat is het principe achter de absorptie van infraroodstraling door metaalverbindingen en welke factoren spelen hierbij een rol?
Metaalverbindingen, waaronder zeldzame-aardeverbindingen, spelen een cruciale rol in infraroodabsorptie. Als leider in zeldzame metaal- en zeldzame-aardeverbindingen,UrbanMines Tech. Co., LtdWij bedienen bijna een achtste van alle klanten wereldwijd op het gebied van infraroodabsorptie. Om de technische vragen van onze klanten hierover te beantwoorden, heeft het onderzoeks- en ontwikkelingscentrum van ons bedrijf dit artikel samengesteld.
1. Het principe en de kenmerken van infraroodabsorptie door metaalverbindingen
Het principe van infraroodabsorptie door metaalverbindingen is hoofdzakelijk gebaseerd op de trillingen van hun moleculaire structuur en chemische bindingen. Infraroodspectroscopie bestudeert de moleculaire structuur door de overgang van intramoleculaire trillingen en rotatie-energieniveaus te meten. De trillingen van chemische bindingen in metaalverbindingen leiden tot infraroodabsorptie, met name metaal-organische bindingen in metaal-organische verbindingen, de trillingen van vele anorganische bindingen en de kristalroostertrillingen, die in verschillende gebieden van het infraroodspectrum verschijnen.
Prestaties van verschillende metaalverbindingen in infraroodspectra:
(1) MXene-materiaal: MXene is een tweedimensionale overgangsmetaal-koolstof/stikstofverbinding met een rijke samenstelling, metaalachtige geleidbaarheid, een groot specifiek oppervlak en een actief oppervlak. Het heeft verschillende infraroodabsorptiesnelheden in de nabij-infrarood- en midden-/ver-infraroodbanden en wordt de laatste jaren veelvuldig gebruikt in infraroodcamouflage, fotothermische conversie en andere gebieden.
(2).Koperverbindingen: Fosforhoudende koperverbindingen presteren goed onder infraroodabsorbers, voorkomen effectief het zwart wordende verschijnsel veroorzaakt door ultraviolette straling en behouden gedurende lange tijd een uitstekende doorlaatbaarheid van zichtbaar licht en stabiele infraroodabsorptie-eigenschappen3.
Praktische toepassingsvoorbeelden
(1). Infraroodcamouflage: MXene-materialen worden veel gebruikt in infraroodcamouflage vanwege hun uitstekende infraroodabsorptie-eigenschappen. Ze kunnen de infraroodkenmerken van het doelwit effectief verminderen en de camouflage verbeteren.2.
(2). Fotothermische conversie: MXene-materialen hebben lage emissiekarakteristieken in de midden-/verre infraroodbanden, waardoor ze geschikt zijn voor fotothermische conversietoepassingen en lichtenergie efficiënt kunnen omzetten in warmte-energie.
(3).Raammaterialen: In raammaterialen worden harscomposities gebruikt die infraroodabsorbers bevatten om infraroodstralen effectief te blokkeren en de energie-efficiëntie te verbeteren 3.
Deze toepassingsvoorbeelden tonen de diversiteit en praktische bruikbaarheid van metaalverbindingen in infraroodabsorptie aan, met name hun belangrijke rol in de moderne wetenschap en industrie.
2. Welke metaalverbindingen kunnen infraroodstralen absorberen?
Metaalverbindingen die infraroodstralen kunnen absorberen zijn onder andere:antimoon tinoxide (ATO), indiumtinoxide (ITO), aluminiumzinkoxide (AZO), wolfraamtrioxide (WO3), ijzertetroxide (Fe3O4) en strontiumtitanaat (SrTiO3).
2.1 Infraroodabsorptiekarakteristieken van metaalverbindingen
Antimoon-tinoxide (ATO): Het kan nabij-infrarood licht met een golflengte groter dan 1500 nm afschermen, maar kan ultraviolet licht en infrarood licht met een golflengte kleiner dan 1500 nm niet afschermen.
Indiumtinoxide (ITO): Net als ATO heeft het een afschermende werking tegen nabij-infrarood licht.
Zinkaluminiumoxide (AZO): Het heeft ook de functie om nabij-infrarood licht af te schermen.
Wolfraamtrioxide (WO3): Het heeft een gelokaliseerd oppervlakteplasmonresonantie-effect en een klein polaronabsorptiemechanisme, kan infraroodstraling met een golflengte van 780-2500 nm afschermen en is niet-giftig en goedkoop.
Fe3O4: Het heeft goede infraroodabsorptie- en thermische respons-eigenschappen en wordt vaak gebruikt in infraroodsensoren en -detectoren.
Strontiumtitanaat (SrTiO3): heeft uitstekende infraroodabsorptie- en optische eigenschappen, waardoor het geschikt is voor infraroodsensoren en -detectoren.
Erbiumfluoride (ErF3): is een zeldzame-aardeverbinding die infraroodstraling kan absorberen. Erbiumfluoride heeft roze kristallen, een smeltpunt van 1350 °C, een kookpunt van 2200 °C en een dichtheid van 7,814 g/cm³. Het wordt voornamelijk gebruikt in optische coatings, vezeldoping, laserkristallen, grondstoffen voor enkelkristallen, laserversterkers, katalysatoradditieven en andere toepassingen.
2.2 Toepassing van metaalverbindingen in infraroodabsorberende materialen
Deze metaalverbindingen worden veel gebruikt in infraroodabsorberende materialen. Zo worden ATO, ITO en AZO vaak toegepast in transparante, geleidende, antistatische en stralingsbeschermende coatings, evenals in transparante elektroden. WO3 wordt veel gebruikt in diverse warmte-isolerende, absorberende en reflecterende infraroodmaterialen vanwege de uitstekende afscherming tegen nabij-infraroodstraling en de niet-giftige eigenschappen. Deze metaalverbindingen spelen een belangrijke rol in de infraroodtechnologie dankzij hun unieke infraroodabsorptie-eigenschappen.
2.3 Welke zeldzame-aardeverbindingen kunnen infraroodstralen absorberen?
Van de zeldzame aardmetalen kunnen lanthaanhexaboride en nano-lanthaanboride infraroodstraling absorberen.Lanthanumhexaboride (LaB6)Het is een materiaal dat veelvuldig wordt gebruikt in radar, ruimtevaart, de elektronica-industrie, instrumentatie, medische apparatuur, huishoudelijke apparaten, metallurgie, milieubescherming en andere gebieden. Met name lanthaanhexaboride-eenkristallen worden gebruikt voor de vervaardiging van krachtige elektronenbuizen, magnetrons, elektronenbundels, ionenbundels en kathodes voor deeltjesversnellers.
Bovendien heeft nanogrootte lanthaanboride ook de eigenschap infraroodstraling te absorberen. Het wordt gebruikt in de coating van polyethyleenfolie om infraroodstraling van zonlicht te blokkeren. Terwijl het infraroodstraling absorbeert, absorbeert nanogrootte lanthaanboride niet te veel zichtbaar licht. Dit materiaal kan voorkomen dat infraroodstraling in warme klimaten door vensterglas dringt en kan in koude klimaten de licht- en warmte-energie efficiënter benutten.
Zeldzame aardmetalen worden op grote schaal gebruikt in diverse sectoren, waaronder het leger, de kernenergie, de hightechindustrie en alledaagse consumentenproducten. Zo wordt lanthaan bijvoorbeeld gebruikt om de tactische prestaties van legeringen in wapens en uitrusting te verbeteren, worden gadolinium en zijn isotopen ingezet als neutronenabsorbers in de kernenergiesector en wordt cerium gebruikt als glasadditief om ultraviolette en infrarode straling te absorberen.
Ceriumoxide, een toevoeging aan autoglas, kan ultraviolette en infrarode straling absorberen en wordt tegenwoordig veel gebruikt in autoruiten. Het beschermt niet alleen tegen ultraviolette straling, maar verlaagt ook de temperatuur in de auto, waardoor er minder energie nodig is voor de airconditioning. Sinds 1997 wordt ceriumoxide toegevoegd aan Japans autoglas, en het werd al sinds 1996 in auto's toegepast.
3. Eigenschappen en beïnvloedende factoren van infraroodabsorptie door metaalverbindingen
3.1 De eigenschappen en beïnvloedende factoren van infraroodabsorptie door metaalverbindingen omvatten hoofdzakelijk de volgende aspecten:
Absorptiesnelheid: De absorptiesnelheid van metaalverbindingen voor infraroodstraling varieert afhankelijk van factoren zoals het metaaltype, de oppervlaktestaat, de temperatuur en de golflengte van de infraroodstraling. Gangbare metalen zoals aluminium, koper en ijzer hebben doorgaans een absorptiesnelheid van infraroodstraling tussen 10% en 50% bij kamertemperatuur. Zo bedraagt de absorptiesnelheid van een zuiver aluminiumoppervlak voor infraroodstraling bij kamertemperatuur ongeveer 12%, terwijl die van een ruw koperoppervlak ongeveer 40% kan bereiken.
3.2 Eigenschappen en beïnvloedende factoren van infraroodabsorptie door metaalverbindingen:
Soorten metalen: Verschillende metalen hebben verschillende atoomstructuren en elektronenconfiguraties, wat resulteert in verschillende absorptievermogens voor infraroodstraling.
Oppervlakteconditie: De ruwheid, oxidelaag of coating van het metalen oppervlak beïnvloedt de absorptiesnelheid.
Temperatuur: Temperatuurveranderingen veranderen de elektronische toestand in het metaal, waardoor de absorptie van infraroodstraling wordt beïnvloed.
Infraroodgolflengte: Verschillende golflengten van infraroodstraling hebben verschillende absorptiecapaciteiten voor metalen.
Veranderingen onder specifieke omstandigheden: Onder bepaalde specifieke omstandigheden kan de absorptiesnelheid van infraroodstraling door metalen aanzienlijk veranderen. Wanneer bijvoorbeeld een metalen oppervlak wordt bedekt met een laag speciaal materiaal, kan het vermogen om infraroodstraling te absorberen worden verbeterd. Daarnaast kunnen veranderingen in de elektronische toestand van metalen in omgevingen met hoge temperaturen ook leiden tot een toename van de absorptiesnelheid.
Toepassingsgebieden: De infraroodabsorptie-eigenschappen van metaalverbindingen hebben een belangrijke toepassingswaarde in infraroodtechnologie, thermische beeldvorming en andere gebieden. Door bijvoorbeeld de coating of de temperatuur van een metalen oppervlak te regelen, kan de absorptie van infraroodstraling worden aangepast, wat toepassingen mogelijk maakt in temperatuurmeting, thermische beeldvorming, enzovoort.
Experimentele methoden en onderzoeksachtergrond: Onderzoekers hebben de absorptiesnelheid van infraroodstraling door metalen bepaald door middel van experimentele metingen en professionele studies. Deze gegevens zijn belangrijk voor het begrijpen van de optische eigenschappen van metaalverbindingen en voor de ontwikkeling van gerelateerde toepassingen.
Samenvattend worden de infraroodabsorptie-eigenschappen van metaalverbindingen beïnvloed door vele factoren en kunnen ze onder verschillende omstandigheden aanzienlijk veranderen. Deze eigenschappen worden op veel gebieden gebruikt.