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红外辐射涂料制备技术与方法的研究

2001年6月

June2001

钢　铁　研　究

第3期（总第120期

（

红外辐射涂料制备技术与方法的研究

欧阳德刚　胡铁山

赵修建　

（武汉钢铁集团公司　（武汉理工大学

摘　要　根据红外辐射涂料1~5μm的辐射机制,题,从红外辐射涂料粉体基料的原材料选择与合成、方面出发,探讨了红外辐射涂料的制备技术与方法。

关键词　红外辐射　涂料　制备　STUDYONTECHND

OuyangieshanZhaoXiujian　　　　　　（WuhanUniversityofScience&Engineering

totheradiantmechanismof1to5μminfraredradiantcoatingandinofemerginginthepracticalapplicationthepresentpaperdiscussedthetechnologyandmethodforpreparationoftheinfraredradiantcoatingincludinghowtoselectandcomposethebasicrawmaterialsoftheinfraredradiantcoatingpowderaswellashowtoselecttherawmaterialforpreparationofthecarrieradhesives

Keywords　infraredradiation　coating　preparation　basicpowderedmaterial　carrier　adhesives

联系人:

欧阳德刚,高工,博士,武汉市（430080武钢技术中心

1　前　言

红外辐射涂料主要是由辐射粉料基料与载体粘结剂组成[1,2],对于以单纯化合物为辐射粉体基料的红外辐射涂料,其主要辐射机制为晶格振动的多声子辐射,强辐射波段为5~10μm,因而,只适应于温度低于600℃的低温干燥炉或低温热处理炉。

其制备工艺为辐射粉体基料与载体粘结剂的机械强制混合,因而,制备简单、方便。

而对于适用于中高温工业炉窑的红外辐射涂料来说,则要求涂料在1~5μm波段具有强辐射性能[3]。

由红外辐射材料辐射机制的理论研究可知,必须使辐射粉体基料具有较高的自由载流子浓度及合适的杂质能级,以强化1~5μm波段材料的自由载流子辐射机制及杂质能级的电子跃迁辐射机制[3,4]。

由此看来,对于这种中高温红外辐射涂料的制备,其关键技术是辐射粉体基料合成与载

体粘结剂的研制,以缓解目前国内红外辐射涂料实际使用过程中经常出现的问题,即:

（1红外强辐射波段与被加热物强吸收波段不匹配;（2涂料易老化,红外辐射性能衰减速度快;（3涂料易脱落等[2,4]。

因此,有必要探讨中高温红外辐射涂料的制备技术,本文从辐射粉体基料的原材料选择与合成、载体粘结剂原材料的选择与制备等方面出发,探讨红外辐射涂料的制备技术与方法。

2　红外辐射涂料辐射粉体基料的制备方法2.1　原材料的选择

根据国内外中高温红外辐射涂料的研究资料得知,涂料的辐射粉体基料化学组成往往是一些金属氧化物,常用的氧化物有Fe2O3、MnO2、NiO、CuO、CoO、Cr2O3、ZrO2、TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、La2O3、CeO等[10~14];其中用得较多的是过渡金属

氧化物,如Fe2O3、MnO2、CuO、CoO等;主要是因为

・

14・

过渡金属氧化物材料易得、价廉,且可在氧化性气氛下长期使用。

特别是20世纪80年代初期,日本的高岛广夫等学者报道了过渡金属氧化物系烧结料在红外全波段具有较高的辐射率后,日本的有关红外辐射方面的专利大多皆以此为基础开发的;我国的有关学者对此也情有独钟,进行了相关的实验研究[7~9]。

由此看来,目前,过渡金属氧化物作为红外辐射涂料辐射粉体基料的主要组成成分有着广泛的研究市场,定有其独特之处。

基于以上国内外红外辐射涂料粉体基料的组成情况,认为应选择一些过渡金属氧化物为中高温红外辐射涂料辐射粉体基料的原料。

从材料易得方面考虑,可选择含有Fe2O3、MnO2、CuO、CoO、

Cr2O3、ZrO2等成分的材料;从降低涂料生产成本方面考虑2

.2　,辐射率在1~5μm的红外中短波段并不太高,如图1、2所示[1]。

图1　HS—01涂料（Fe2O3+水玻璃+水

光谱辐射率曲线

图2　HS—02涂料（Cr2O3+水玻璃+水

光谱辐射率曲线

由图1、2可知,单纯过渡金属氧化物在1~

5μm波段内光谱辐射率相对较低,说明其强红外辐射机制主要依赖于晶格振动的多声子辐射与吸收。

虽然与非过渡金属族的金属氧化物相比,其

在1~5μm波段内的光谱辐射率相对要高一些,这说明其红外辐射机制中包含了一定成分的自由载流子辐射与吸收,显然这种成分还不够强烈。

我们知道材料的红外辐射性能与材料的微观结构紧密相关。

由此看来,仅采用多种过渡金属氧化物进行简单的机械混合,将不能改变材料的微观物相结构,仍不能摆脱多声子辐射与吸收机制的限制,达到改善1~5μm近红外光谱波段的红外辐射性能。

为此,必须采用高温合成的方法来改变其微观结构与物相组成,提高1~5μ[3,4]。

要使反应烧结过程进,。

对于单纯化合物或单一物质的烧结,其推动力来自于表面能的降低;对于多元体系的反应烧结过程,其推动力还要考虑化学势能（自由能的一种形式的降低。

由此可见,对所有原料进行细磨可大大提高原材料的比表面积,增大表面自由能,将有利于烧结过程的进行。

此外,由固相烧结反应速度计算公式[具体见公式（1]可见,细磨原材料将有利于固相反应烧结的进行,缩短烧结反应时间[12]。

根据机械磨机的性能及磨粉的经济性,认为原材料的细磨粒度控制为0.053~0.044mm较好,即270~325目。

此后,根据拟定的粉体基料配方,进行配料、混料与烧结合成。

为了使反应烧结合成料的组织与结构均匀,应采取强制搅拌混合的方法将各种原材料混合均匀,以避免混料不均匀所引起的反应烧结不均匀问题。

此外,应对拟定配方辐射粉体基料生料进行高温热重分析和不同烧结温度条件下粉体基料的微观结构检测、光谱辐射性能检测,确定合适的烧结工艺制度,以获得烧结反应充分、辐射性能优良的烧结辐射粉体基料。

同时,根据相应的检测结果,可进一步分析物相结构与组成和辐射性能之间的关系,探讨改善辐射性能的途径。

图3、图4为2种分别以Fe2O3、MnO2为主要成分的过渡金属氧化物系辐射材料的热重分析曲线。

dt=（x

（1

・

24・

图3　以Fe2O3

为主的粉体基料的热重曲线图

图4　以式中　x———反应生成物的厚度

t———反应时间k———反应比例常数S———反应接触面积DA———A物质在生成物层的扩散系数

DB———B物质在生成物层的扩散系数

为了使制备的红外辐射涂料均匀及便于实际涂覆施工,对烧结后的辐射基料块再度进行细磨,以改善涂料的悬浮性及施工的延展性。

根据国内外相关资料报道,认为较佳的细磨粒度为270~325目。

3　辐射性能及微观结构分析方法3.1　辐射粉体基料光谱辐射率的检测

光谱辐射率是判别辐射材料辐射性能优劣的重要指标。

对光谱辐射率ε（λ,T的测量,一般采用的测试方法为辐射能量比较法,即被测样品在某一温度下的辐射通量密度与同一温度下黑体的辐射通量密度之比,如果Ws（λ,T和WB（λ,T分别表示样品和黑体在温度T时、波长为λ处的辐射通量密度,则光谱辐射率ε（λ,T为:

ε（λ,T=（λ

WB（λ,T（2

对于理想绝对黑体,有ε（λ,T=1,一般材料则

有ε（λ,T<1。

目前,中科院上海技术物理研究所红外物理国家实验室是国内红外光谱辐射率检测的权威单位,采用的测量设备为P—E983型红外分光光度计和红外辐射专用测量附件,应用二次测量技术进行检测[11]。

3.2　烧结辐射粉体基料的微观结构分析

材料微观结构分析的常用方法有岩相分析、

电子探针分析和X衍射分析,目前国内许多单位

均能进行这些检测,例如:

武钢技术中心、武汉理工大学等。

,为;由于晶体对X射线产生衍射线的位置取决于晶胞的大小与形状,衍射线的强度取决于晶胞中质点（原子、离子、分子的种类、数目与排列,因而X衍射分析可准确地分析出烧结辐射粉体基料中的物相组成。

通过各种微观结构分析手段,能基本全面地了解烧结辐射粉体基料的微观结构与物相组成,为高辐射机制与改善辐射性能的研究奠定了坚实的基础[14]。

4　载体粘结剂的制备方法

红外辐射涂料载体粘结剂是使涂料中的粉料

彼此结合在一起,并使涂料能牢固地粘附在基体表面上形成均匀的红外辐射涂层[1,2],同时还要经受工业炉炉内恶劣工作条件的考验,使其不脱落[11]。

由红外辐射涂料研制的相关资料可知,对于低温干燥炉窑使用的低温远红外辐射涂料,常用的载体粘结剂为水玻璃和磷酸盐水溶液;对于中高温红外辐射涂料的载体粘结剂,国外报道的使用效果及寿命来看,其所用的载体粘结剂应该含有多种微粉或溶胶。

根据国内相关资料报道,国内过渡金属氧化物系中高温红外辐射涂料所采用的载体粘结剂一般仍为水玻璃及磷酸二氢铝水溶液,仅有一家报道采用SiO2—Al2O3溶胶为涂料载体粘结剂,其报道的涂层综合性能指标也优于

国内其它种类的载体粘结剂[1、2、4]

。

据此,应选择SiO2溶胶或微粉、Al2O3溶胶或微粉、Cr2O3微粉等为载体粘结剂的原材料,材料的来源应为市售工业级材料,以降低生产成本。

・

34・

在以前的红外辐射涂料研制中往往忽视了涂层与基体之间热膨胀不协调的问题,这可能是红外辐射涂料在实际应用中经常出现脱落现象的一个重要原因。

为了解决红外辐射涂层与基体之间热膨胀系数不协调的问题,必须对红外辐射涂层的热膨胀系数进行调整。

研究表明,可采用粘土、莫来石、堇青石、锂霞石等热膨胀系数较小的材料来进行红外辐射涂层热膨胀系数的调整[4、5]。

表1为国内耐火材料中常用的几种低膨胀系数矿物原料的热膨胀系数值。

表1　几种耐火材料中常用的低膨胀系数原料

材料名称项目

人工合成

烧结莫来石

人工合成

烧结堇青石

锂辉石（矿

物原料

人工合成钛酸铝

线膨胀系数

/×10-6

4.782.60.867~1.测试温度

范围/℃

20~1000~120~

同,因而相应的涂料载体粘结剂配方也不同。

应根据选定的载体粘结剂及热膨胀调节剂原材料,针对不同的基体材料,以基体表面上涂层抗热震性为指标进行涂料载体粘结剂配方的正交实验,确定出不同基体材料上的涂料粘结剂配方。

为了探讨涂层与基体间的结合状况,还应对结合断面进行探针线扫描分析,分析其结合机理。

5　红外辐射涂料的制备

按照上述烧结辐射粉体基料和载体粘结剂制备方法分别进行制备,并按1g辐射粉体基料比1ml载体粘结剂的比例,将辐射粉体基料与载体粘结剂混合均匀,即制得所需的过渡金属氧化物系红外辐射涂料。

6　结　论

（1根据国内外对中高温红外辐射涂料研究的资料报道及国内相关涂料的生产与应用情况,考虑有关原材料的易得、价廉问题,认为合适的辐射粉体基料的原材料为:

Fe2O3、MnO2、CuO、CoO、Cr2O3、ZrO2等,材料来源为市售工业级产品;载体粘结剂的原材料为:

SiO2溶胶或微粉、Al2O3微粉或溶胶、Cr2O3微粉等,具体材料来源为耐火材料生产中常用的工业级材料及原生矿物原料。

（2根据辐射粉体基料混合生料的热重分析结果及不同烧结工艺参数和不同配方烧结辐射粉体基料的微观结构与物相组成,制定相应的烧结工艺制度。

（3可采用岩相分析、X衍射分析及电子探针分析等检测手段,获得不同烧结工艺参数及不同配方烧结辐射粉体基料的微观结构与物相组成。

同时,还可根据光谱辐射率检测结果,探讨微观结,分析改善其15μm

（4

以确定相应的载体粘结剂配方,缓解实际应用中涂层易脱落的问题。

参考文献

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科学技术出版社,1983

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10　欧阳德刚,周明石,张奇光等.红外辐射涂料的组成与性能,钢铁研究,1999,（1:

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14　邵国有主编.硅酸盐岩相学.武汉:

武汉工业大学出版社,1997

（收稿日期:

2000-11-29

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