Ποια είναι η αρχή της απορρόφησης των υπέρυθρων ακτίνων των μεταλλικών ενώσεων και ποιοι είναι οι παράγοντες που την επηρεάζουν;
Οι ενώσεις μετάλλων, συμπεριλαμβανομένων των ενώσεων σπάνιων γαιών, παίζουν καθοριστικό ρόλο στην απορρόφηση του υπέρυθρου. Ως ηγέτης στις ενώσεις σπάνιων μετάλλων και σπάνιων γαιών,UrbanMines Tech. Co., Ltd. εξυπηρετεί σχεδόν το 1/8 των πελατών παγκοσμίως για απορρόφηση υπέρυθρων. Για να αντιμετωπίσουμε τις τεχνικές ερωτήσεις των πελατών μας σχετικά με αυτό το θέμα, το κέντρο έρευνας και ανάπτυξης της εταιρείας μας συνέταξε αυτό το άρθρο για να παρέχει απαντήσεις
1.Η αρχή και τα χαρακτηριστικά της υπέρυθρης απορρόφησης από μεταλλικές ενώσεις
Η αρχή της απορρόφησης του υπέρυθρου από μεταλλικές ενώσεις βασίζεται κυρίως στη δόνηση της μοριακής τους δομής και στους χημικούς δεσμούς τους. Η υπέρυθρη φασματοσκοπία μελετά τη μοριακή δομή μετρώντας τη μετάβαση των επιπέδων ενδομοριακής δόνησης και περιστροφικής ενέργειας. Η δόνηση των χημικών δεσμών σε μεταλλικές ενώσεις θα οδηγήσει σε υπέρυθρη απορρόφηση, ειδικά σε δεσμούς μετάλλου-οργανικού σε μεταλλικές-οργανικές ενώσεις, στη δόνηση πολλών ανόργανων δεσμών και στη δόνηση του κρυσταλλικού πλαισίου, που θα εμφανιστεί σε διαφορετικές περιοχές του υπέρυθρου φάσματος.
Απόδοση διαφορετικών μεταλλικών ενώσεων στα υπέρυθρα φάσματα:
(1). Υλικό MXene: Το MXene είναι μια δισδιάστατη ένωση μετάλλου-άνθρακα/αζώτου μετάπτωσης με πλούσια συστατικά, μεταλλική αγωγιμότητα, μεγάλη ειδική επιφάνεια και ενεργή επιφάνεια. Έχει διαφορετικούς ρυθμούς απορρόφησης υπέρυθρων στις ζώνες εγγύς υπέρυθρου και μεσαίου/μακριού υπέρυθρου και έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως σε υπέρυθρες καμουφλάζ, φωτοθερμική μετατροπή και άλλα πεδία τα τελευταία χρόνια.
(2).Ενώσεις χαλκού: Οι ενώσεις χαλκού που περιέχουν φώσφορο έχουν καλή απόδοση μεταξύ των απορροφητών υπερύθρων, αποτρέποντας αποτελεσματικά το φαινόμενο μαυρίσματος που προκαλείται από τις υπεριώδεις ακτίνες και διατηρώντας την εξαιρετική μετάδοση του ορατού φωτός και τις ιδιότητες απορρόφησης υπέρυθρων σταθερά για μεγάλο χρονικό διάστημα3.
Πρακτικές περιπτώσεις εφαρμογής
(1).Καμουφλάζ υπερύθρων: Τα υλικά MXene χρησιμοποιούνται ευρέως στο καμουφλάζ υπερύθρων λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων απορρόφησης υπέρυθρων. Μπορούν να μειώσουν αποτελεσματικά τα υπέρυθρα χαρακτηριστικά του στόχου και να βελτιώσουν την απόκρυψη2.
(2).Φωτοθερμική μετατροπή: Τα υλικά MXene έχουν χαμηλά χαρακτηριστικά εκπομπής στις μεσαίες/μακριές υπέρυθρες ζώνες, οι οποίες είναι κατάλληλες για εφαρμογές φωτοθερμικής μετατροπής και μπορούν να μετατρέψουν αποτελεσματικά την φωτεινή ενέργεια σε θερμική ενέργεια2.
(3). Υλικά παραθύρων: Συνθέσεις ρητίνης που περιέχουν απορροφητές υπερύθρων χρησιμοποιούνται σε υλικά παραθύρων για να μπλοκάρουν αποτελεσματικά τις υπέρυθρες ακτίνες και να βελτιώσουν την ενεργειακή απόδοση 3.
Αυτές οι περιπτώσεις εφαρμογής καταδεικνύουν την ποικιλομορφία και την πρακτικότητα των μεταλλικών ενώσεων στην απορρόφηση υπέρυθρων, ιδιαίτερα τον σημαντικό ρόλο τους στη σύγχρονη επιστήμη και βιομηχανία.
2. Ποιες μεταλλικές ενώσεις μπορούν να απορροφήσουν τις υπέρυθρες ακτίνες;
Ενώσεις μετάλλων που μπορούν να απορροφήσουν τις υπέρυθρες ακτίνες περιλαμβάνουνοξείδιο του κασσιτέρου αντιμονίου (ATO), οξείδιο κασσιτέρου ινδίου (ITO), οξείδιο ψευδαργύρου αργιλίου (AZO), τριοξείδιο του βολφραμίου (WO3), τετροξείδιο του σιδήρου (Fe3O4) και τιτανικό στρόντιο (SrTiO3).
2.1 Χαρακτηριστικά απορρόφησης υπέρυθρων μεταλλικών ενώσεων
Οξείδιο του κασσιτέρου αντιμονίου (ATO): Μπορεί να θωρακίσει το εγγύς υπέρυθρο φως με μήκος κύματος μεγαλύτερο από 1500 nm, αλλά δεν μπορεί να προστατεύσει το υπεριώδες φως και το υπέρυθρο φως με μήκος κύματος μικρότερο από 1500 nm.
Οξείδιο του κασσιτέρου ινδίου (ITO): Παρόμοιο με το ATO, έχει ως αποτέλεσμα τη θωράκιση του κοντινού υπέρυθρου φωτός.
Οξείδιο του αλουμινίου ψευδαργύρου (AZO): Έχει επίσης τη λειτουργία της θωράκισης του εγγύς υπέρυθρου φωτός.
Τριοξείδιο του βολφραμίου (WO3): Έχει τοπική επίδραση συντονισμού πλασμονίου στην επιφάνεια και μικρό μηχανισμό απορρόφησης polaron, μπορεί να θωρακίσει την υπέρυθρη ακτινοβολία με μήκος κύματος 780-2500 nm και είναι μη τοξικό και φθηνό.
Fe3O4: Έχει καλές ιδιότητες απορρόφησης υπερύθρων και θερμικής απόκρισης και χρησιμοποιείται συχνά σε αισθητήρες και ανιχνευτές υπερύθρων.
Τιτανικό στρόντιο (SrTiO3): έχει εξαιρετική απορρόφηση υπερύθρων και οπτικές ιδιότητες, κατάλληλο για αισθητήρες και ανιχνευτές υπερύθρων.
Φθοριούχο έρβιο (ErF3): είναι μια ένωση σπάνιων γαιών που μπορεί να απορροφήσει τις υπέρυθρες ακτίνες. Το φθοριούχο έρβιο έχει ροζ κρυστάλλους, σημείο τήξης 1350°C, σημείο βρασμού 2200°C και πυκνότητα 7,814 g/cm³. Χρησιμοποιείται κυρίως σε οπτικές επιστρώσεις, ντόπινγκ ινών, κρυστάλλους λέιζερ, μονοκρυσταλλικές πρώτες ύλες, ενισχυτές λέιζερ, πρόσθετα καταλυτών και άλλα πεδία.
2.2 Εφαρμογή μεταλλικών ενώσεων σε υλικά απορρόφησης υπερύθρων
Αυτές οι μεταλλικές ενώσεις χρησιμοποιούνται ευρέως σε υλικά απορρόφησης υπέρυθρων. Για παράδειγμα, τα ATO, ITO και AZO χρησιμοποιούνται συχνά σε διαφανείς αγώγιμες, αντιστατικές επικαλύψεις προστασίας από την ακτινοβολία και διαφανή ηλεκτρόδια. Το WO3 χρησιμοποιείται ευρέως σε διάφορα υλικά θερμομόνωσης, απορρόφησης και ανάκλασης υπέρυθρων, λόγω της εξαιρετικής απόδοσης θωράκισης κοντά στο υπέρυθρο και των μη τοξικών ιδιοτήτων του. Αυτές οι μεταλλικές ενώσεις παίζουν σημαντικό ρόλο στον τομέα της τεχνολογίας υπερύθρων λόγω των μοναδικών χαρακτηριστικών απορρόφησης υπέρυθρων.
2.3 Ποιες ενώσεις σπάνιων γαιών μπορούν να απορροφήσουν τις υπέρυθρες ακτίνες;
Μεταξύ των στοιχείων σπάνιων γαιών, το εξαβορίδιο του λανθανίου και το βορίδιο του λανθανίου μεγέθους νανο μπορούν να απορροφήσουν τις υπέρυθρες ακτίνες.Εξαβορίδιο του λανθανίου (LaB6)είναι ένα υλικό που χρησιμοποιείται ευρέως στα ραντάρ, την αεροδιαστημική, τη βιομηχανία ηλεκτρονικών, τα όργανα, τον ιατρικό εξοπλισμό, τη μεταλλουργία οικιακών συσκευών, την προστασία του περιβάλλοντος και άλλους τομείς. Συγκεκριμένα, ο μονοκρύσταλλος εξαβοριδίου του λανθανίου είναι ένα υλικό για την κατασκευή σωλήνων ηλεκτρονίων υψηλής ισχύος, μαγνητρονίων, δεσμών ηλεκτρονίων, δεσμών ιόντων και καθόδων επιταχυντών.
Επιπλέον, το βορίδιο του λανθανίου σε νανοκλίμακα έχει επίσης την ιδιότητα να απορροφά τις υπέρυθρες ακτίνες. Χρησιμοποιείται στην επίστρωση στην επιφάνεια των φύλλων μεμβράνης πολυαιθυλενίου για να μπλοκάρει τις υπέρυθρες ακτίνες από το ηλιακό φως. Ενώ απορροφά τις υπέρυθρες ακτίνες, το βορίδιο του λανθανίου σε νανοκλίμακα δεν απορροφά πολύ ορατό φως. Αυτό το υλικό μπορεί να εμποδίσει τις υπέρυθρες ακτίνες να εισέλθουν σε τζάμια παραθύρων σε ζεστά κλίματα και μπορεί να χρησιμοποιήσει πιο αποτελεσματικά το φως και τη θερμική ενέργεια σε ψυχρά κλίματα.
Τα στοιχεία σπανίων γαιών χρησιμοποιούνται ευρέως σε πολλούς τομείς, συμπεριλαμβανομένων των στρατιωτικών, της πυρηνικής ενέργειας, της υψηλής τεχνολογίας και των καθημερινών καταναλωτικών προϊόντων. Για παράδειγμα, το λανθάνιο χρησιμοποιείται για τη βελτίωση της τακτικής απόδοσης των κραμάτων σε όπλα και εξοπλισμό, το γαδολίνιο και τα ισότοπά του χρησιμοποιούνται ως απορροφητές νετρονίων στο πεδίο της πυρηνικής ενέργειας και το δημήτριο χρησιμοποιείται ως πρόσθετο γυαλιού για την απορρόφηση υπεριωδών και υπέρυθρων ακτίνων.
Το δημήτριο, ως πρόσθετο γυαλιού, μπορεί να απορροφήσει τις υπεριώδεις και υπέρυθρες ακτίνες και πλέον χρησιμοποιείται ευρέως στο γυαλί αυτοκινήτων. Όχι μόνο προστατεύει από τις υπεριώδεις ακτίνες αλλά μειώνει και τη θερμοκρασία στο εσωτερικό του αυτοκινήτου, εξοικονομώντας έτσι ρεύμα για τον κλιματισμό. Από το 1997, το ιαπωνικό γυαλί αυτοκινήτων έχει προστεθεί με οξείδιο του δημητρίου και χρησιμοποιήθηκε στα αυτοκίνητα το 1996.
3.Ιδιότητες και παράγοντες που επηρεάζουν την απορρόφηση του υπέρυθρου από μεταλλικές ενώσεις
3.1 Οι ιδιότητες και οι παράγοντες που επηρεάζουν την απορρόφηση του υπέρυθρου από μεταλλικές ενώσεις περιλαμβάνουν κυρίως τις ακόλουθες πτυχές:
Εύρος ρυθμού απορρόφησης: Ο ρυθμός απορρόφησης μεταλλικών ενώσεων στις υπέρυθρες ακτίνες ποικίλλει ανάλογα με παράγοντες όπως ο τύπος μετάλλου, η κατάσταση της επιφάνειας, η θερμοκρασία και το μήκος κύματος των υπέρυθρων ακτίνων. Τα κοινά μέταλλα όπως το αλουμίνιο, ο χαλκός και ο σίδηρος έχουν συνήθως ρυθμό απορρόφησης υπέρυθρων ακτίνων μεταξύ 10% και 50% σε θερμοκρασία δωματίου. Για παράδειγμα, ο ρυθμός απορρόφησης της επιφάνειας καθαρού αλουμινίου στις υπέρυθρες ακτίνες σε θερμοκρασία δωματίου είναι περίπου 12%, ενώ ο ρυθμός απορρόφησης της ακατέργαστης επιφάνειας χαλκού μπορεί να φτάσει περίπου το 40%.
3.2 Ιδιότητες και παράγοντες που επηρεάζουν την απορρόφηση του υπέρυθρου από μεταλλικές ενώσεις:
Τύποι μετάλλων: Διαφορετικά μέταλλα έχουν διαφορετικές ατομικές δομές και διατάξεις ηλεκτρονίων, με αποτέλεσμα τις διαφορετικές ικανότητές τους να απορροφούν τις υπέρυθρες ακτίνες.
Συνθήκη επιφάνειας: Η τραχύτητα, το στρώμα οξειδίου ή η επικάλυψη της μεταλλικής επιφάνειας θα επηρεάσει τον ρυθμό απορρόφησης.
Θερμοκρασία: Οι αλλαγές θερμοκρασίας θα αλλάξουν την ηλεκτρονική κατάσταση μέσα στο μέταλλο, επηρεάζοντας έτσι την απορρόφηση των υπέρυθρων ακτίνων.
Μήκος κύματος υπέρυθρων: Διαφορετικά μήκη κύματος υπέρυθρων ακτίνων έχουν διαφορετικές ικανότητες απορρόφησης για μέταλλα.
Αλλαγές υπό συγκεκριμένες συνθήκες: Υπό ορισμένες ειδικές συνθήκες, ο ρυθμός απορρόφησης των υπέρυθρων ακτίνων από μέταλλα μπορεί να αλλάξει σημαντικά. Για παράδειγμα, όταν μια μεταλλική επιφάνεια επικαλύπτεται με ένα στρώμα ειδικού υλικού, η ικανότητά της να απορροφά τις υπέρυθρες ακτίνες μπορεί να ενισχυθεί. Επιπλέον, αλλαγές στην ηλεκτρονική κατάσταση των μετάλλων σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας μπορεί επίσης να οδηγήσουν σε αύξηση του ρυθμού απορρόφησης.
Πεδία εφαρμογής: Οι ιδιότητες απορρόφησης υπέρυθρων μεταλλικών ενώσεων έχουν σημαντική αξία εφαρμογής στην τεχνολογία υπέρυθρων, τη θερμική απεικόνιση και άλλα πεδία. Για παράδειγμα, ελέγχοντας την επίστρωση ή τη θερμοκρασία μιας μεταλλικής επιφάνειας, μπορεί να ρυθμιστεί η απορρόφησή της από τις υπέρυθρες ακτίνες, επιτρέποντας εφαρμογές στη μέτρηση θερμοκρασίας, τη θερμική απεικόνιση κ.λπ.
Πειραματικές μέθοδοι και ερευνητικό υπόβαθρο: Οι ερευνητές προσδιόρισαν τον ρυθμό απορρόφησης των υπέρυθρων ακτίνων από μέταλλα μέσω πειραματικών μετρήσεων και επαγγελματικών μελετών. Αυτά τα δεδομένα είναι σημαντικά για την κατανόηση των οπτικών ιδιοτήτων των μεταλλικών ενώσεων και την ανάπτυξη σχετικών εφαρμογών.
Συνοπτικά, οι ιδιότητες απορρόφησης του υπέρυθρου των μεταλλικών ενώσεων επηρεάζονται από πολλούς παράγοντες και μπορεί να αλλάξουν σημαντικά υπό διαφορετικές συνθήκες. Αυτές οι ιδιότητες χρησιμοποιούνται ευρέως σε πολλούς τομείς.