高温高发射率红外辐射涂层制备与研究--材料学硕士毕业论文.doc

（申请工学硕士学位论文）

高温高发射率红外辐射涂层
的制备与研究

培养单位：材料科学与工程学院
学科专业：材料学
研究生：
指导教师： 教授
教授

2008年11月

分类号 密 级
UDC 学校代码 10497

学位论文

题 目 高温高发射率红外辐射涂层的制备与研究
英 文 Preparation and Study of Infrared Radiation Coating题 目 with High Emissivity at High Temperature
研究生姓名 陈 武
姓 名 叶卫平 职 称 教 授
指导教师
单位名称 材料学院 邮 编 430070
姓 名 程旭东 职 称 教授、博导
单位名称 新材所 邮 编 430070
申请学位级别 硕 士 学科专业名称 材料学
论文提交日期 2008年11月 论文答辩日期 2008年12月
学位授予单位 武汉理工大学 学位授予日期
答辩委员会主席 评阅人

2008年11月

独 创 性 声 明

本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

签 名: 日 期：

关于论文使用授权的说明

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(保密的论文在解密后应遵守此规定)

签 名： 导师签名： 日 期：

武汉理工大学硕士学位论文

摘 要
高温红外辐射材料在高温下具有优异的辐射性能，在工业炉节能、提高红外加热器热效率、航天器热控制等方面有着广泛应用。红外辐射材料传统的应用方法是添加一定量的无机粘结剂，制成涂料以刷涂的方式附着于耐火材料构筑的炉衬上。由于该工艺制备的涂层与金属基体之间结合力不强，抗热震性能较差等原因使得红外辐射涂料在金属电阻带、罩式退火炉金属内罩等金属表面的应用还不多。等离子喷涂工艺由于在金属基体上制备的陶瓷涂层结合力和抗热震性能优良，已经广泛应用于制备耐磨涂层、热障涂层和可磨耗封严涂层等，但应用等离子喷涂制备红外辐射涂层国内外却鲜有报道，本文将采用等离子喷涂制备红外辐射涂层。
本实验室李丹虹等人在2006年研制出以NiCr2O4为主要成分的红外辐射材料，发射率在600℃达到0.89。本次实验以NiO、Cr2O3和TiO2为主要成分，采用喷雾干燥法制成球形团聚粉末，将该粉末进行高温焙烧，获得流动性好的喷涂用粉。采用等离子喷涂工艺，在铜片基体上制备色泽纯黑且均匀的涂层。
对喷雾干燥工艺制备的粉末样品进行形貌观察发现粉末在焙烧前后都呈球形，虽然经过焙烧后流动性有所下降，但仍能满足等离子喷涂的要求。由于喷雾干燥工艺制备粉末仅为原料通过粘结剂的简单混合，因此需要将粉末进行高温焙烧，使粉末中具有高发射率物相存在，为确定其最佳焙烧温度，对样品B分别在不同温度下进行焙烧发现1200℃焙烧后粉末的成分为(Cr0.88Ti0.12)2O3和NiCr2O4，且反应比较充分，所以选择粉末的焙烧温度为1200℃。
对等离子喷涂制备的涂层进行XRD分析发现：涂层和喷涂粉末的相组成相同。当不添加TiO2时，涂层中主要由NiCr2O4和Cr2O3组成，发射率在600℃达到0.89；当TiO2加入量5~15%时，涂层中含有高发射率的(Cr0.88Ti0.12)2O3和NiCr2O4，发射率达到0.91；但当TiO2增加至20~30%时会阻碍NiCr2O4的形成，使得红外发射率下降。制备的涂层具有良好的热稳定性能，优异的结合强度和抗热震性能。

关键词：喷雾干燥；等离子喷涂；红外辐射涂层；发射率

ABSTRACT
The infrared radiation materials with high emissivity at high temperature have been widely used in many industrial applications such as the energy savings for industrial furnace, the efficiency improvement of infrared heater and spacecraft thermal control. In these traditional applications, especially in industry furnace, the infrared radiation materials, added with an amount of inorganic binder, were brushed onto refractory furnace lining, the low bonding force between the coating and the metal substrate and the bad thermal shock resistance restricted their applications in the field of infrared radiation coatings of metal resistor tape, metal enclosures of hood-type annealing furnace and others. Plasma spraying technique have been widely used in preparing wear-resistant coating, thermal carrier coating and abradable seal coating because of its good performance of bonding force and thermal shock resistance. But it is rarely to find reports about preparing infrared radiation coating by plasma spraying. In this paper, we will adopt plasma spraying to preparae infrared radiation coating.
It was reported that the normal total emissivity of coating with NiCr2O4 spinel structure is up to 0.89 in 2006. In this paper, the spherical agglomerated particles were fabricated by spray drying with the powders of NiO, Cr2O3 and TiO2. Plasma spray power was acquired by heat treatment from the particles at high temperature. Dark and uniform coating was deposited on the copper sheet substrate by plasma spraying.
The shape of particle prepared by spray drying is spherical. The particles meet the requirement of the process of plasma spraying although the decrease in flowability after baking. Powder prepared by spray drying was physical mixture of raw materials and hence no change of phase structure. Powder must be baked for generating high emissivity phase structure. In order to get the optimum temperature for baking, sample B was baked at 750℃, 950℃, 1050℃ and 1200℃. The result shows that the adequately reaction temperature is 1200℃.
The XRD analysis reveals that the coating and powder have the same phase structure. While not adding TiO2, the coating is mainly made up of NiCr2O4 and Cr2O3, the emissivity is up to 0.89 at 600℃. While the amount of TiO2 added is 5~15%, the coating is mainly made up of (Cr0.88Ti0.12)2O3 and NiCr2O4, the emissivity is up to 0.91. While the amount of TiO2 is up to 20~30%, the emissivity decreased as the result of no NiCr2O4 in the coating. The plasma spray coating has good performance of bonding force and thermal shock resistance.

Keywords: Spray dry; Plasma spray; Infrared radiation coating; Emissivity

55

目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 前 言 1
1.1 红外辐射的理论基础 1
1.1.1 红外辐射的基本概念 1
1.1.2红外辐射陶瓷的概念和分类 6
1.1.3影响红外辐射材料发射率的因素 6
1.2 高温高发射率红外辐射材料的应用 8
1.2.1改造加热炉 8
1.2.2制造红外加热器 9
1.2.3 散热 10
1.3 高发射率涂层的发展方向 10
1.4 红外辐射材料的研究现状 11
1.5 研究的目的及内容 13
1.5.1 研究的目的 13
1.5.2 研究方案设计 13
1.5.3本论文的研究的内容 16
1.6 技术路线 17
第二章 红外辐射粉体材料的制备与研究 18
2.1 红外辐射粉体材料的制备 18
2.1.1 实验试剂 19
2.1.2 实验仪器 19
2.1.3 实验成分设计 19
2.1.4 实验步骤 20
2.2 材料的结构与性能测试 21
2.3 喷雾干燥制备的粉体材料的结构和性能 22
2.3.1 喷雾干燥制备粉末的形貌分析 22
2.3.2 喷雾干燥粉末的流动性和松装密度测定 23
2.3.3 不同焙烧温度对粉末材料结构的影响 24
2.3.4组成体系对粉末结构的影响 27
2.3.4团聚粉末的傅立叶红外光谱分析 28
2.4本章小结 30
第三章 红外辐射涂层的制备与研究 31
3.1 涂层的制备 31
3.1.1 制备步骤 33
3.1.2 实验仪器 34
3.1.3 工艺参数的选定 35
3.1.4 涂层的结构与性能测试 35
3.2 涂层的结构与性能分析 38
3.2.1 涂层的扫描电镜（SEM）分析 38
3.2.2 涂层的X射线衍射分析 39
3.2.3 涂层的红外辐射性能 40
3.2.4 涂层的结合强度 42
3.2.5 涂层的抗热震性能 43
3.3 本章小结 45
第四章 结论 46
参考文献 48
附录 攻读硕士期间发表的论文 53
致谢 54

第一章 前 言
1.1 红外辐射的理论基础
1.1.1 红外辐射的基本概念
1800年英国天文学家威·赫谢耳(W·Herschel)发现在通过玻璃棱镜的可见光谱的红色谱带外存在一种不可见的“具有最大加热能力的射线”，随后法国物理学家白克兰把这种辐射称之为红外辐射。红外辐射是指波长介于可见光与微波之间，即0.75～1000μm的电磁辐射，从光谱上看，它正好位于红外光之外，因此被称为红外辐射[1-4]。
任何物体的温度高于绝对零度，都会时刻不间断地辐射能量，同时也都会不间断地吸收其它物体辐射出来的能量，并且把吸收的能量转化成热能再辐射。整个自然界就是处在这种不间断的辐射和不间断的吸收能量的过程中。红外辐射和物质分子的热运动有着内在的密切联系。物质分子做热运动时都会发射电磁波，而物质分子热运动的频率正好处于红外范围，所以发射的电磁波主要就是红外辐射。反过来，当一定频率的红外辐射照射到物体上，且红外辐射频率与物质热运动频率一致时，红外辐射就会很快被物质共振吸收而转化为分子的热运动。
1.1.1.1 发射率
基尔霍夫提出了黑体辐射的概念，假设了一个能全部吸收入射能量的物体，即绝对黑体[5]。黑体具有最佳的辐射特性，在任何温度下都能全部吸收和发射任何波长的辐射。一般物体的辐射性能在任何波长都低于黑体，通常用发射率来表示物体的辐射性能接近黑体的程度。发射率是表征指定材料的特征常数，也称为辐射率或黑度，其定义为在相同条件下，物体的辐射出射度与黑体的辐射出射度之比，用符号ε(T)表示[6]：
(1-1)
式中M(T)——实际物体在温度T时的辐射出射度；
Mb(T)——相同条件下黑体在温度T时的辐射出射度。
发射率是一个介于0和1之间的数值，是非黑体的辐射特性接近黑体程度的标志。显然，实际物体的黑度值越接近l，它们的辐射也越接近黑体辐射。由于材料的发射率值跟测定条件有关，因此，在报道测量结果时应指明测试条件。
由于发射率与测量方向有关，所以有下述几种的不同定义方式。
①半球全发射率
半球发射率是辐射体单位面积向半球空间的辐射出射度与同温度下黑体的辐射出射度之比。它表征了物体在半球空间内的发射量接近黑体发射量的程度。
a.半球全发射率或半球积分发射率
定义式为：
(1-2)
半球全发射率表征了物体向半球空间在0～∞的整个波长范围内的发射能力。
b.半球光谱发射率
(1-3)
εh(λ)是波长的函数，它表征了物体在某一温度下，波长λ处向半球空间的发射接近黑体发射程度。
②方向发射率
方向发射率又称定向发射率或角比发射率。它表示与辐射表面法线方向成一定角度θ时的小立体角内测量的发射率。当θ角为零时，称为法向发射率εn。
a.方向全发射率
定义式为：
(1-4)
式中，L(θ,φ)—实际物体在温度T时的辐射亮度；
Lb(θ,φ)—黑体在温度T时的辐射亮度。
方向全发射率表征物体在与法线成θ角方向上的辐射与黑体辐射的接近程度。
b.方向光谱发射率
定义式为：
(1-5)
方向光谱发射率表征了物体在特定波长处在给定方向上的辐射与黑体辐射的接近程度。
1.1.1.2吸收比、反射比和透射比
当辐射投射到物体表面时，物体会发生吸收、反射和透射现象。把物体吸收、反射、透射的辐射功率与入射的辐射功率之比分别称为该物体的吸收比(α)、反射比(ρ)和透射比(τ)，三者满足如下关系:
(1-6)
其中α、ρ、τ与物体性质和温度有关，并与入射辐射的波长和偏振状态有关。对于不透红外的材料，透射比τ=0，则式(1-5)可简化为
(1-7)
由此可见，吸收能力强的物质其反射本领弱，反之，反射本领高的物质其吸收能力低。自然界所有物体的吸收比、反射比和透射比的值都介于0和1之间。通常把吸收比α=1的物体称为黑体，把反射比ρ=1的物体叫做镜体，把透射比τ=1的物体称为透明体。显然黑体、镜体和透明体都是假象的理想物体[6]。
1.1.1.3基尔霍夫定律
德国著名的物理学家哥斯塔夫·基尔霍夫根据热动力学原理，建立了红外线的热辐射理论，提出了作为红外辐射传输理论基础之一的基尔霍夫定律，其数学表达式为:
(1-8)
其中，M、α分别表示物质的光谱辐射度和吸收度，E为光谱辐照度。它表明物质的发射本领和吸收本领的比值与物质的性质无关，而是辐射波长和温度的普适函数，同时也说明吸收能力强的物质其发射能力也强。在热平衡情况下，一方面物体之间的能量交换仍在继续进行；另一方面热平衡的状态又不允许破坏，所以，在单位时间内，吸收能量多的物体，辐射出的能量也多；吸收能量少的物体，辐射出的能量也少。对整个系统来说，可以保持动态热平衡状态。所以，良吸收体也是良辐射体。
基尔霍夫辐射定律是一个极其普遍的规律，也是热辐射最重要的定律。由这个定律我们可以看出，一方面，对任何物体来说，物体的发射本领和吸收本领的比值跟物体的性质及表面状况毫无关系；另一方面，对每一种物体来说，它的发射本领的大小和它的吸收能量的多少是同物体的种类和它的表面状况密切相关的[7]。
由于总会有不同程度的反射或透射，自然界的一切热辐射体的吸收率都是小于1的。自然界不存在绝对黑体，但是，人们可以通过改变物体的形状和构造的方式来改变物体的吸收率。
1.1.1.4普朗克辐射定律
普朗克辐射定律可用下式来描述[7]：
(1-9)
其中，Mλ为辐射体单位表面在温度T时发射的波长为λ的单色辐射出射度[W/(m2·μm)]，C1为第一辐射常数=3.7402×10-12 (W/cm2)，C2为第二辐射常数=1.43848 (cm·K)。它表明一个绝对黑体辐射功率是按辐射波长分布的。
图1-1给出了温度在500K～900K范围内的黑体光谱辐射出射度随波长变化的曲线，其中虚线表示Mλb取最大值的位置。

图1-1不同温度下黑体辐射出射度随波长的变化
Fig 1-1 Radiant curves of ideal blackbody under different temperatures
由图可知：
（1）光谱辐射出射度随波长连续变化，每条曲线只有一个极大值；
（2）曲线随黑体温度的升高整体提高，在任意波长处较高温度下的光谱辐射出射度都较较低温度处的要大，反之亦然。因每条曲线下包围的面积正比于全辐射出射度，所以上述特性表明黑体的全辐射出射度随温度的增加而迅速增大；
（3）每条曲线的峰值所对应的波长随温度的升高而减小，即随温度升高，黑体辐射中包含的短波成分所占的比例增加；
（4）黑体的辐射只与黑体的绝对温度有关。
1.1.1.5维恩位移定律
维恩位移定律[7]给出了黑体辐射出射度的峰值Mλm所对应的峰值波长λm与黑体绝对温度T的定量关系，其表示式为：
(1-10)
式中常数b＝2898.8±0.4μm·K。
此定律表明，黑体光谱辐射出射度峰值Mλm对应的峰值波长λm与黑体的绝对温度T成反比。
1.1.1.6斯蒂芬-波尔兹曼定律
此定律给出了黑体的全辐射出射度与温度的定量关系，其表示式为[7]：
(1-11)
式中常数σ＝(5.6697±0.0029)×10-8W/(m2·K4)。
该定律表明，黑体的全辐射出射度与其温度的四次方成正比。因此，当温度有较小变化时，就会引起辐射出射度的很大变化。
1.1.2红外辐射陶瓷的概念和分类
红外辐射陶瓷是指在红外波段具有高发射率或特征发射率的无机材料。根据材料的红外性能即红外发射率和红外发射率随光谱的分布情况，把红外辐射陶瓷分成高效红外辐射陶瓷、选择性红外辐射陶瓷和低发射率材料三大类[6]。
(1)高效红外辐射陶瓷
高效红外辐射陶瓷是指在相应的使用温度及较宽的波段内具有较高的发射率的陶瓷材料及制品。
(2)选择性红外辐射陶瓷
选择性红外辐射陶瓷是指材料的红外发射率随波长而改变，并且在8μm以后具有较高发射率值的材料，这种材料特别适合在常温下使用，如用于纺织衣物保健的远红外陶瓷粉，用于饮用水的活化处理陶瓷等。在这些常温应用中，只利用材料的远红外辐射性能。
(3)低发射率材料
低发射率材料是指材料的红外发射率低于0.5的系统，这类材料适用于军事的红外伪装和太阳能选择吸收涂层等特种用途。
1.1.3影响红外辐射材料发射率的因素
(1)材料成分对陶瓷涂层发射率的影响。例如金属、合金、金属化合物和非金属元素的全发射率值是不同的。一般来说，金属导电体的发射率值较小，电解质材料的发射率值较大，这种差异与构成金属和电解质材料的带电粒子及运动特性有关[8]。
(2)复合材料有利于提高发射率，其原因是组元数增多，不同成分的原子间相互作用，影响结构的对称程度，结构中缺陷增多，原子或分子的振动及转动形式更复杂多样，受热激发时发出宽频的红外辐射，且辐射能力较单一物质高得多。此时出现高发射率涂料成分组成的“多组元效应”。单个氧化物的发射率不高于0.83，而其复配涂料的发射率高于0.90。有研究报道，用相同的原料，不同的配比烧成的试样，其内部物相组成是相同的，只是相对含量不同，经测试其发射率和光谱辐射分布有小的差别，基本相近。在同一配方的材质中，添加不同的过渡金属氧化物，其影响是明显而复杂的。在相同配方中引入不同的过渡金属氧化物，或在不同的配方中引入相同的过渡金属氧化物，其影响都是不同的。这种影响的结果是：在某些波段内提高（或降低）了发射率，而在另外一些波段内降低（或提高）了发射率。
(3)材料处理工艺对发射率的影响：
a.同一种材料由于处理工艺及条件不同而有不同的发射率值。对发射率影响最大的工艺参数是烧结温度[8]。
b.烧结气氛对发射率的影响很大[8, 9]。例如经700℃空气处理与经1400℃煤气处理的TiO2的常温全发射率分别为0.81和0.86，这是还原引起氧缺位所致。Fe2O3在高温预处理时，气氛对发射率的影响非常大，这主要是由于预处理使化学成分（Fe3+/Fe2+比）发生变化以及失氧引起的晶格缺位等结构因素变化两者综合造成的。在晶格缺位等缺陷处，晶体结构会发生局部畸变，使结构变得较为疏松，引起极化，造成晶体原子运动状态（能量状态）的复杂化。例如：在能带的禁带区产生新的附加能级，而影响发射率值[8]。
c.烧结过程中的升温速度，保温时间，以及最高烧结温度都严重影响着陶瓷材料的发射率。陶瓷材料的晶粒的大小，晶格，晶相等都与陶瓷材料烧结技术有关，由此也影响到红外辐射陶瓷的发射率。
d.烧结完毕的冷却方式对发射率的影响。其中有随炉冷却，空气中急冷，有水淬等。
(4)涂层厚度对发射率的影响。辐射器表面发射率与涂层厚度有关系，这是因为有些材料对发射率有一定程度的透明性。选择适当的涂层厚度，可使辐射有良好的效果，也能保证涂层与基体间的粘结强度和原材料的最少消耗量。涂层厚度一般控制在0.1～0.4mm之间，过厚、过薄，都会降低表面发射率。
(5)材料表面状态对发射率的影响。当辐射层材料和结构一定时，物体的发射率还受表面状态的影响。表面状态指涂层表面的粗糙程度，一般粗糙度越大，发射率越高。
(6)基体形状的选择也很重要，目前有平行状和碗行状。有人进行了测试发现，碗形板的表面温度，辐射强度和辐射效率均高于平面板。
(7)温度对发射率的影响。同一材料在不同温度下的发射率也不同，一般情况下，金属的发射率随温度的升高而逐渐增大，非金属材料的发射率随温度的升高而减小。各种材料的发射率随温度变化的规律是不一致的，有个别金属的发射率随温度升高而减小。在选用材料时，应使最大发射率时的温度与辐射器的表面温度相适应[8]。
(8)使用时间对发射率的影响。辐射材料在长期使用过程中，会与周围介质（如水汽）发生物理化学作用，使得材料成分发生变化，则其发射率也会随之发生变化，一般情况下是衰减，也有个别材料发射率会随时间提高。而当表面涂层发生脱落时，辐射就会变差。
1.2 高温高发射率红外辐射材料的应用
1.2.1改造加热炉
随着科学技术的进一步发展，红外加热技术得到了广泛而深入的研究，作为红外加热技术核心部分的红外辐射涂料越来越受得到人们的重视。众所周知，热量传递以3种方式进行，即传导传热、对流传热和辐射传热。在低温阶段，热交换以对流传热为主，而在高温阶段(800℃以上)，则以辐射传热为主。随着温度的升高，辐射传热所起的作用越来越大。由辐射传热基本定律和计算公式可知，提高辐射体的表面辐射系数，将有利于辐射传热的强化。
当今世界矿物能源不断接近枯竭，严重威胁着世界工业的发展，工业窑炉耗能约占总能耗的25％～40％，而窑炉的平均热效率仅为30％左右。主要是由于炉窑内壁发射率较低，使得热量不能有效的辐射到炉膛中，加热效率低，在涂覆上高发射率红外辐射材料后，通过辐射传热效率提高，可见该领域的节能工作大有潜力可挖。国内外的实践已经证明，在工业炉内壁上涂刷红外辐射涂料，是节能降耗的简便易行的方法之一。红外辐射涂料的节能机理在于[10, 11]：1) 能增加炉窑内壁黑度(即热发射率)，增强炉窑内壁对热源传来热量吸收后的辐射传热，而反射部分则相应减少（表1-1），这部分热量很易被燃烧产物(CO2和H2O等)吸收而随烟气排出炉外。2) 由于内壁的吸收和辐射作用，改变了炉内热辐射的波谱分布，将热源发出的间断式波谱转变成了连续波谱，从而利于工件吸收，而很少被燃烧产物带走。3) 炉窑内衬用耐火材料常温下的黑度一般为0.6～0.8，随着炉温的升高，会大幅度下降，而红外辐射涂料能减缓这种下降，有时甚至可以使其升高[12]。4) 据维恩位移定律，随着温度的升高，辐射峰值波长会向短波段移动。又据普朗克（Planck）辐射定律计算可知，高温辐射能量大多数集中在1～5μm波段，如1000℃和1300℃时，会分别有76%和85%的辐射能量集中在这一波段内，而一般的耐火材料在这一波段的发射率很低，对高温辐射不利，红外辐射涂料可以弥补这一不足[12, 13]。对于以辐射传热为主的工业炉来说，使用红外辐射涂料提高炉内参与辐射传热的物体表面辐射系数，将有效地改善传热过程，达到节能、增产与提高产品质量的目的，而且还具有施工简单、投资少、应用范围广等一系列优越性。这种高发射率涂料，国外称之为“工业炉技术的重大进展”、“性能的重大改进”、“技术发展的里程碑”、甚至被称为“21世纪的新材料”[14]。红外辐射涂料不但以其优良的红外辐射性能来改善工业炉炉内传热过程，提高工业炉的能源利用率及其生产能力，而且还能保护涂层基体材料，延长工业炉使用寿命，降低生产维护费用，最终获得增产、节能及降低生产成本的目的[15]。
表1-1 炉内壁黑度与吸热后能量分布[11]
Table 1-1 The relationship of emissivity and energy distributions in furnace lining
炉内壁黑度
传导热损失/%
反射能量/%
辐射能量%
0.35
0.70
0.90
5
5
5
65
30
10
30
65
85

1.2.2制造红外加热器
陶瓷红外加热器按辐射面的选材可分为三类。一类为直接由高发射率陶瓷制造，如黑陶瓷红外加热器等；另一类为在普通陶瓷或金属基体上涂覆高发射率涂层；第三类是由金属粉末与陶瓷粉末混合烧结制成的金属陶瓷红外加热器。在设计制造加热器时，应重视具有高热效率、温度分布均匀、机械强度好及响应时间短等技术要求。近年来，国内生产的陶瓷红外加热器的技术性能已有较大提高，如一种灯状红外辐射加热器的电热辐射转换效率已达到84.5%[16]。
由于红外加热具有独特的优点，（1）原料来源广、成本低，红外涂层工艺简单；（2）无需特殊的传递介质，既在空气中或真空中都能有效地传递热量，红外发射率高，具有显著的节能效果[17]；（3）加热时间短，可提高工效；（4）无污染[18]；(5)提高产品质量[18, 19]（6）装置紧凑，便于自动化等[20]；由于以上特点，红外技术得到了迅速发展，而高发射率材料的研究则成为热点。
1.2.3 散热
在航天和军事方面的应用。高热发射率涂层材料的应用可以满足太空中使用的电源系统和返回式航天器的回收舱长期稳定高效工作的需要。太空中航天器的电源在为整个系统的运行提供动力的同时绝大部分能源会变成热量，热量的过多积聚会导致整个系统无法正常运行，采用热辐射形式散热则是高真空环境中唯一的途径。返回式航天器的回收舱从天空穿越大气层返回地面时，由于大气摩擦发热，其外表温度高达1000℃以上，如果没有防热措施，航天器就会在空中烧毁。解决措施之一就是在航天器蒙皮表面上应用高温高发射率红外涂层，作为辐射防热结构加强辐射，可达散热目的。美国NASA将红外材料涂在镍基合金上进行热震性试验，准备用于航天飞机上。同时还可广泛推广应用于多种军用设备和民用设备的高效热辐射需要，以提高各种设备对热辐射特性日益苛刻的技术要求[21]。
1.3 高发射率涂层的发展方向
随着红外辐射节能涂料研究工作的深入开展，其产品质量和使用技术不断改进，日趋完善，近年来的大量研究与探索[22-24]表明，高发射率涂料的研究今后的发展方向主要有以下几个方面:
1、超细超薄化 a.涂层太厚时，由于在高温下涂层的热膨胀率与基底材料不同使得应力过大经常会出现涂层脱落现象，从而导致使用过程中辐射传热效果下降。因此高发射率涂料今后发展的趋势应该是超薄化； b.传统涂料的涂层较厚，虽然由于高发射率使系统内的辐射传热加强，但由于导热热阻的增加抑制了总的节能效果（如在锅炉内使用时的情况），而将高发射率涂料超细超薄化之后，涂料在基体材料上基本不增加厚度，也就是说基本上不增加导热热阻，这对节能也是极为有利的；c.节约辐射涂料的用量，为用户节省改造投资，同时也能降低元件重量。
2、成分复合化 红外辐射材料的种类很多，如碳化硅、氧化锆或锆英石粉、氧化铬、氧化锰等，但这些材料均有各自的不足。例如，碳化硅含量增加时，发射率的增加程度有限，而且在高温下还有氧化反应发生，使其辐射性能受到抑制。而氧化锆或锆英石粉、氧化铬等材料的发射率均随温度的升高而下降，温度超过1200℃时，发射率降至0.85以下，个别情况甚至降至0.80以下，因此单独使用这些红外辐射材料并不能有效增加其高温下的辐射能力。解决这一问题的办法就是采用多种材料的复合化，使其在不同温度范围及不同波长的波段内的辐射特性能够互补和相互增强。
3、功能多样化 工业上对涂料辐射特性的要求具有多样性，本文前述的热沉底部涂层实际上是利用了涂料的高吸收率特性，锅炉水冷壁上的涂层也是利用了涂料的高吸收率，而火焰炉的耐火材料炉壁则是利用了涂料的高发射率并将火焰炉中不连续光带的能量吸收后改为连续的辐射波谱后重新发射出来。这对辐射涂料的开发提出了更明确的要求，要针对各种不同的使用场合开发出具有选择性、高发射率或高吸收率的产品，以便进一步起到“有的放矢”、“出奇制胜”的效果。
1.4 红外辐射材料的研究现状
各国研制的高发射率红外辐射材料多为陶瓷材料。材料高发射率的产生是由于粒子振动引起的偶极矩变化。根据振动对称性原则，粒子振动时的对称性越低，偶极矩的变化就越大，其红外辐射就越强。由于陶瓷材料多原子组成的分子结构在振动过程中易改变分子的对称性而使偶极矩发生变化[24]。因此，许多陶瓷材料都具有较高的发射率。陶瓷材料还具有耐酸碱、抗腐蚀、抗氧化、耐高温等优良性能。所以红外辐射陶瓷材料越来越受到人们的重视[25]。
60～70年代，美国、日本等对SiC、Fe2O3等具有优良辐射特性的化合物单晶材料进行了理论研究；由于SiC在高温下容易被氧化而使得在使用过程中红外发射率降低，英国Herbert Beven公司与欧、澳联营推出的Enecoat红外辐射涂料产品，将SiC和化学添加剂混合，经预烧结后，添加剂可以在碳化硅表面形成二氧化硅保护膜，可有效防止碳化硅的高温氧化，延长其使用寿命[26-27]。但是单一材料的发射率随波长不断变化，物体的发射与吸收也都呈现出一定的选择性。选择在不同波段分别具有高发射率的填料进行复合化，使得涂料在不同的温度和波长范围内有着高发射率。80年代，日本学者高岛广夫等研究了Fe-Mn-Co-Cu过渡金属氧化物体系红外辐射材料这类材料从长波到短波都有极高的红外发射率，全发射系数ε≥0.9，被称为黑陶瓷[28]。国际上著名的红外辐射涂料有：英国CRC公司称其红外辐射涂料的辐射粉料有两类基本组成，即ZrO2和锆英砂（硅酸锆），其中ET24型红外辐射涂料的辐射粉料主要由锆英砂、SiO2和Al2O3组成，在800℃时发射率为0.85，1000℃时仍可达0.84，但在金属表面应用温度不能高于1100℃，否则会脱落[29-32]。美国CRC公司的红外辐射涂料已系列化，其中用在金属表面上的涂料，其辐射粉料组成主要是Al2O3和SiO2；用在耐火材料炉衬表面上的涂料，其辐射粉料主要是由ZrO2或ZrO2、Al2O3、SiO2组成[33]。日本CRC公司推出的红外辐射涂料CRC1100，CRC1500，辐射粉料由CoO、Cr2O3、Fe2O3、Mo2O3、SiO2等组成[34]。日本日上公司生产的HRC辐射涂料是以铬铁矿(FeCr2O4)为主要成分，其化学成分有二氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化镁、氧化铬、氧化钠等，热膨胀率0.8％～0.9%(1000℃)，结构稳定，在600～1300℃范围内发射率大于0.85，在800℃高达0.95，在炉衬无破损的情况下可长达5年[35]。最近报导的美国专利高发射率涂料，其红外辐射基料为稀土氧化物氧化铈或氧化铽[36-38]。
我国自80年代以来，在国家能源开发与利用的发展战