Jaka jest zasada pochłaniania promieni podczerwonych przez związki metali i jakie czynniki na to wpływają?
Związki metali, w tym związki pierwiastków ziem rzadkich, odgrywają kluczową rolę w absorpcji podczerwieni. Jako lider w dziedzinie związków metali rzadkich i pierwiastków ziem rzadkich,UrbanMines Tech. Co., Ltd. obsługuje prawie 1/8 światowych klientów korzystających z technologii absorpcji podczerwieni. Aby odpowiedzieć na pytania techniczne naszych klientów w tej sprawie, centrum badawczo-rozwojowe naszej firmy przygotowało ten artykuł, aby udzielić odpowiedzi.
1. Zasada i charakterystyka absorpcji podczerwieni przez związki metali
Zasada absorpcji podczerwieni przez związki metali opiera się głównie na drganiach ich struktury molekularnej i wiązań chemicznych. Spektroskopia w podczerwieni bada strukturę molekularną poprzez pomiar przejść drgań wewnątrzcząsteczkowych i poziomów energii rotacyjnej. Drgania wiązań chemicznych w związkach metali prowadzą do absorpcji w podczerwieni, zwłaszcza wiązań metaloorganicznych w związkach metaloorganicznych, drgania wielu wiązań nieorganicznych oraz drgania szkieletu krystalicznego, które pojawiają się w różnych obszarach widma podczerwieni.
Wydajność różnych związków metali w widmach podczerwonych:
(1). Materiał MXene: MXene to dwuwymiarowy związek metalu przejściowego z węglem i azotem, charakteryzujący się bogatym składem, przewodnością metaliczną, dużą powierzchnią właściwą i powierzchnią aktywną. Charakteryzuje się różną absorpcją podczerwieni w paśmie bliskiej podczerwieni oraz średniej i dalekiej podczerwieni i w ostatnich latach jest szeroko stosowany w kamuflażu podczerwonym, konwersji fototermicznej i innych dziedzinach.
(2). Związki miedzi: Związki miedzi zawierające fosfor dobrze sprawdzają się wśród pochłaniaczy podczerwieni, skutecznie zapobiegając zjawisku czernienia wywoływanemu przez promienie ultrafioletowe i utrzymując doskonałe właściwości transmisji światła widzialnego i absorpcji podczerwieni przez długi czas3.
Praktyczne przypadki zastosowań
(1). Kamuflaż w podczerwieni: Materiały MXene są szeroko stosowane w kamuflażu w podczerwieni ze względu na ich doskonałe właściwości absorpcyjne. Mogą one skutecznie redukować podczerwone charakterystyki celu i poprawiać kamuflaż.
(2). Konwersja fototermiczna: Materiały MXene charakteryzują się niską emisją w paśmie podczerwieni średniej i dalekiej, co jest przydatne w zastosowaniach konwersji fototermicznej i pozwala na efektywną konwersję energii świetlnej w energię cieplną2.
(3). Materiały okienne: W materiałach okiennych stosuje się kompozycje żywicowe zawierające pochłaniacze podczerwieni, które skutecznie blokują promieniowanie podczerwone i poprawiają efektywność energetyczną.
Przedstawione przypadki zastosowań pokazują różnorodność i praktyczność związków metali w absorpcji podczerwieni, a zwłaszcza ich ważną rolę we współczesnej nauce i przemyśle.
2. Które związki metali mogą absorbować promienie podczerwone?
Związki metali, które mogą pochłaniać promienie podczerwone, obejmują:tlenek antymonu i cyny (ATO), tlenek indu i cyny (ITO), tlenek cynku i glinu (AZO), trójtlenek wolframu (WO3), czterotlenek żelaza (Fe3O4) i tytanian strontu (SrTiO3).
2.1 Charakterystyka absorpcji promieniowania podczerwonego przez związki metali
Tlenek antymonu i cyny (ATO): Może chronić przed światłem bliskiej podczerwieni o długości fali większej niż 1500 nm, ale nie może chronić przed światłem ultrafioletowym i podczerwonym o długości fali mniejszej niż 1500 nm.
Tlenek indu i cyny (ITO): Podobnie jak ATO, ma właściwości ekranujące światło bliskiej podczerwieni.
Tlenek cynku i glinu (AZO): Ma również funkcję ekranowania światła bliskiej podczerwieni.
Tlenek wolframu (WO3): Posiada zlokalizowany efekt powierzchniowego rezonansu plazmonowego i mechanizm absorpcji małych polaronów, może ekranować promieniowanie podczerwone o długości fali 780–2500 nm, jest nietoksyczny i niedrogi.
Fe3O4: Posiada dobre właściwości absorpcji podczerwieni i reakcji termicznej, jest często stosowany w czujnikach i detektorach podczerwieni.
Tytanian strontu (SrTiO3): charakteryzuje się doskonałą absorpcją podczerwieni i właściwościami optycznymi, nadaje się do czujników i detektorów podczerwieni.
Fluorek erbu (ErF3): to związek pierwiastków ziem rzadkich, który pochłania promieniowanie podczerwone. Fluorek erbu ma różowe kryształy, temperaturę topnienia 1350°C, temperaturę wrzenia 2200°C i gęstość 7,814 g/cm³. Jest stosowany głównie w powłokach optycznych, domieszkowaniu światłowodów, kryształach laserowych, monokrystalicznych materiałach wyjściowych, wzmacniaczach laserowych, dodatkach do katalizatorów i innych dziedzinach.
2.2 Zastosowanie związków metali w materiałach pochłaniających podczerwień
Te związki metali są szeroko stosowane w materiałach pochłaniających promieniowanie podczerwone. Na przykład, ATO, ITO i AZO są często stosowane w przezroczystych powłokach przewodzących, antystatycznych, chroniących przed promieniowaniem oraz przezroczystych elektrodach; WO3 jest szeroko stosowany w różnych materiałach termoizolacyjnych, absorpcyjnych i odbijających promieniowanie podczerwone ze względu na doskonałe właściwości ekranujące w zakresie bliskiej podczerwieni i właściwości nietoksyczne. Te związki metali odgrywają ważną rolę w technologii podczerwieni ze względu na swoje unikalne właściwości pochłaniania promieniowania podczerwonego.
2.3 Które związki ziem rzadkich mogą absorbować promienie podczerwone?
Spośród pierwiastków ziem rzadkich, heksaborek lantanu i nanoborek lantanu mogą pochłaniać promienie podczerwone.Sześcioborek lantanu (LaB6)Jest to materiał szeroko stosowany w radarach, przemyśle lotniczym, elektronicznym, oprzyrządowaniu, sprzęcie medycznym, metalurgii urządzeń gospodarstwa domowego, ochronie środowiska i innych dziedzinach. W szczególności, monokryształ heksaborku lantanu jest materiałem do produkcji lamp elektronowych dużej mocy, magnetronów, wiązek elektronowych, wiązek jonowych i katod akceleratorów.
Ponadto nanoborek lantanu ma również właściwości pochłaniania promieniowania podczerwonego. Jest stosowany w powłokach na powierzchni folii polietylenowej, aby blokować promieniowanie podczerwone pochodzące ze światła słonecznego. Pochłaniając promieniowanie podczerwone, nanoborek lantanu nie absorbuje zbyt dużej ilości światła widzialnego. Materiał ten może zapobiegać przedostawaniu się promieniowania podczerwonego do szyb okiennych w gorącym klimacie i efektywniej wykorzystywać energię świetlną i cieplną w zimnym klimacie.
Pierwiastki ziem rzadkich są szeroko stosowane w wielu dziedzinach, w tym w wojsku, energetyce jądrowej, zaawansowanych technologiach i artykułach codziennego użytku. Na przykład, lantan jest używany do poprawy parametrów taktycznych stopów w broni i sprzęcie, gadolin i jego izotopy są wykorzystywane jako pochłaniacze neutronów w energetyce jądrowej, a cer jako dodatek do szkła w celu pochłaniania promieniowania ultrafioletowego i podczerwonego.
Cer, jako dodatek do szkła, pochłania promieniowanie ultrafioletowe i podczerwone i jest obecnie szeroko stosowany w szybach samochodowych. Nie tylko chroni przed promieniowaniem ultrafioletowym, ale także obniża temperaturę wewnątrz samochodu, oszczędzając w ten sposób energię elektryczną potrzebną do klimatyzacji. Od 1997 roku japońskie szyby samochodowe są wzbogacane tlenkiem ceru, który wprowadzono do produkcji w 1996 roku.
3. Właściwości i czynniki wpływające na absorpcję podczerwieni przez związki metali
3.1 Właściwości i czynniki wpływające na absorpcję podczerwieni przez związki metali obejmują głównie następujące aspekty:
Zakres współczynnika absorpcji: Współczynnik absorpcji związków metali w promieniowaniu podczerwonym różni się w zależności od czynników takich jak rodzaj metalu, stan powierzchni, temperatura i długość fali promieniowania podczerwonego. Powszechnie stosowane metale, takie jak aluminium, miedź i żelazo, charakteryzują się zazwyczaj współczynnikiem absorpcji promieniowania podczerwonego od 10% do 50% w temperaturze pokojowej. Na przykład, współczynnik absorpcji czystego aluminium w promieniowaniu podczerwonym w temperaturze pokojowej wynosi około 12%, podczas gdy współczynnik absorpcji chropowatej powierzchni miedzi może sięgać około 40%.
3.2Właściwości i czynniki wpływające na absorpcję podczerwieni przez związki metali :
Rodzaje metali: Różne metale charakteryzują się różną strukturą atomową i układem elektronów, co przekłada się na ich różną zdolność absorpcji promieni podczerwonych.
Stan powierzchni: Chropowatość, warstwa tlenku lub powłoka powierzchni metalu mają wpływ na szybkość absorpcji.
Temperatura: Zmiany temperatury zmieniają stan elektronowy wewnątrz metalu, co wpływa na absorpcję promieni podczerwonych.
Długość fali podczerwieni: Różne długości fal promieni podczerwonych mają różną zdolność absorpcji w przypadku metali.
Zmiany w określonych warunkach: W pewnych określonych warunkach szybkość absorpcji promieniowania podczerwonego przez metale może ulegać znacznym zmianom. Na przykład, powlekając powierzchnię metalu warstwą specjalnego materiału, można zwiększyć jej zdolność do absorpcji promieniowania podczerwonego. Ponadto zmiany stanu elektronowego metali w środowiskach o wysokiej temperaturze mogą również prowadzić do wzrostu szybkości absorpcji.
Obszary zastosowań: Właściwości absorpcji podczerwieni związków metali mają istotne znaczenie w technologii podczerwieni, obrazowaniu termicznym i innych dziedzinach. Na przykład, kontrolując powłokę lub temperaturę powierzchni metalu, można regulować absorpcję promieniowania podczerwonego, co umożliwia zastosowanie w pomiarach temperatury, obrazowaniu termicznym itp.
Metody eksperymentalne i podstawy badawcze: Naukowcy określili szybkość absorpcji promieni podczerwonych przez metale poprzez pomiary eksperymentalne i badania specjalistyczne. Dane te są istotne dla zrozumienia właściwości optycznych związków metali i rozwoju powiązanych z nimi zastosowań.
Podsumowując, właściwości absorpcyjne związków metali w podczerwieni zależą od wielu czynników i mogą się znacząco zmieniać w różnych warunkach. Właściwości te są szeroko wykorzystywane w wielu dziedzinach.