¿Cuál es el principio por el cual los compuestos metálicos absorben los rayos infrarrojos y cuáles son los factores que influyen en ello?
Los compuestos metálicos, incluidos los compuestos de tierras raras, desempeñan un papel crucial en la absorción infrarroja. Como líder en compuestos de metales raros y tierras raras,UrbanMines Tech. Co., LtdPresta servicios a casi 1/8 de los clientes mundiales en materia de absorción infrarroja. Para responder a las consultas técnicas de nuestros clientes sobre este tema, el centro de investigación y desarrollo de nuestra empresa ha recopilado este artículo para proporcionar respuestas.
1. Principio y características de la absorción infrarroja por compuestos metálicos
El principio de absorción infrarroja en compuestos metálicos se basa principalmente en la vibración de su estructura molecular y enlaces químicos. La espectroscopia infrarroja estudia la estructura molecular midiendo la transición de los niveles de energía de vibración y rotación intramolecular. La vibración de los enlaces químicos en los compuestos metálicos produce absorción infrarroja, especialmente en los enlaces metaloorgánicos, la vibración de muchos enlaces inorgánicos y la vibración del marco cristalino, que se manifiesta en diferentes regiones del espectro infrarrojo.
Rendimiento de diferentes compuestos metálicos en espectros infrarrojos:
(1).Material MXene: El MXene es un compuesto bidimensional de metal de transición-carbono/nitrógeno con componentes ricos, conductividad metálica, una gran superficie específica y una superficie activa. Presenta diferentes tasas de absorción infrarroja en las bandas del infrarrojo cercano y medio/lejano, y se ha utilizado ampliamente en camuflaje infrarrojo, conversión fototérmica y otros campos en los últimos años.
(2).Compuestos de cobre: Los compuestos de cobre que contienen fósforo se desempeñan bien entre los absorbentes de infrarrojos, previniendo eficazmente el fenómeno de ennegrecimiento causado por los rayos ultravioleta y manteniendo excelentes propiedades de transmitancia de luz visible y absorción de infrarrojos de manera estable durante un largo tiempo3.
Casos de aplicación práctica
(1). Camuflaje infrarrojo: Los materiales MXene se utilizan ampliamente en el camuflaje infrarrojo debido a sus excelentes propiedades de absorción infrarroja. Pueden reducir eficazmente las características infrarrojas del objetivo y mejorar el ocultamiento. 2.
(2).Conversión fototérmica: Los materiales MXene tienen características de baja emisión en las bandas infrarrojas medias/lejanas, que son adecuadas para aplicaciones de conversión fototérmica y pueden convertir eficientemente la energía luminosa en energía térmica2.
(3).Materiales para ventanas: Las composiciones de resina que contienen absorbentes infrarrojos se utilizan en los materiales para ventanas para bloquear eficazmente los rayos infrarrojos y mejorar la eficiencia energética 3.
Estos casos de aplicación demuestran la diversidad y la practicidad de los compuestos metálicos en la absorción infrarroja, especialmente su importante papel en la ciencia y la industria modernas.
2. ¿Qué compuestos metálicos pueden absorber los rayos infrarrojos?
Los compuestos metálicos que pueden absorber rayos infrarrojos incluyen:óxido de estaño y antimonio (ATO), óxido de indio y estaño (ITO)óxido de aluminio y zinc (AZO), trióxido de tungsteno (WO3), tetróxido de hierro (Fe3O4) y titanato de estroncio (SrTiO3).
2.1 Características de absorción infrarroja de los compuestos metálicos
Óxido de estaño y antimonio (ATO): Puede proteger contra la luz infrarroja cercana con una longitud de onda mayor a 1500 nm, pero no puede proteger contra la luz ultravioleta ni la luz infrarroja con una longitud de onda menor a 1500 nm.
Óxido de indio y estaño (ITO): Al igual que el ATO, tiene el efecto de blindar la luz infrarroja cercana.
Óxido de zinc y aluminio (AZO): También tiene la función de proteger contra la luz infrarroja cercana.
Trióxido de tungsteno (WO3): Posee un efecto de resonancia de plasmones superficiales localizados y un mecanismo de absorción de polarones pequeños, puede proteger contra la radiación infrarroja con una longitud de onda de 780-2500 nm, y es no tóxico y económico.
Fe3O4: Posee buenas propiedades de absorción infrarroja y respuesta térmica, y se utiliza frecuentemente en sensores y detectores infrarrojos.
Titanato de estroncio (SrTiO3): posee excelentes propiedades ópticas y de absorción infrarroja, lo que lo hace adecuado para sensores y detectores infrarrojos.
El fluoruro de erbio (ErF₃) es un compuesto de tierras raras capaz de absorber rayos infrarrojos. Sus cristales son de color rosa, tiene un punto de fusión de 1350 °C, un punto de ebullición de 2200 °C y una densidad de 7,814 g/cm³. Se utiliza principalmente en recubrimientos ópticos, dopaje de fibras, cristales láser, materias primas monocristalinas, amplificadores láser, aditivos para catalizadores y otros campos.
2.2 Aplicación de compuestos metálicos en materiales absorbentes de infrarrojos
Estos compuestos metálicos se utilizan ampliamente en materiales de absorción infrarroja. Por ejemplo, el ATO, el ITO y el AZO se emplean frecuentemente en recubrimientos conductores transparentes, antiestáticos y de protección contra la radiación, así como en electrodos transparentes. El WO3 se utiliza ampliamente en diversos materiales de aislamiento térmico, absorción y reflexión infrarroja debido a su excelente capacidad de blindaje en el infrarrojo cercano y a sus propiedades no tóxicas. Estos compuestos metálicos desempeñan un papel importante en el campo de la tecnología infrarroja gracias a sus características únicas de absorción infrarroja.
2.3 ¿Qué compuestos de tierras raras pueden absorber rayos infrarrojos?
Entre los elementos de tierras raras, el hexaboruro de lantano y el boruro de lantano de tamaño nanométrico pueden absorber los rayos infrarrojos.Hexaboruro de lantano (LaB6)Es un material ampliamente utilizado en radares, industria aeroespacial, electrónica, instrumentación, equipos médicos, metalurgia de electrodomésticos, protección ambiental y otros campos. En particular, el monocristal de hexaboruro de lantano se emplea en la fabricación de tubos electrónicos de alta potencia, magnetrones, haces de electrones, haces de iones y cátodos de aceleradores.
Además, el boruro de lantano a nanoescala también tiene la propiedad de absorber rayos infrarrojos. Se utiliza como recubrimiento en la superficie de láminas de polietileno para bloquear la radiación infrarroja de la luz solar. Si bien absorbe los rayos infrarrojos, el boruro de lantano a nanoescala no absorbe demasiada luz visible. Este material puede impedir que los rayos infrarrojos penetren en los cristales de las ventanas en climas cálidos y permite un aprovechamiento más eficaz de la energía lumínica y térmica en climas fríos.
Los elementos de tierras raras se utilizan ampliamente en muchos campos, incluidos el militar, la energía nuclear, la alta tecnología y los productos de consumo cotidianos. Por ejemplo, el lantano se utiliza para mejorar el rendimiento táctico de las aleaciones en armas y equipos; el gadolinio y sus isótopos se utilizan como absorbentes de neutrones en el campo de la energía nuclear; y el cerio se utiliza como aditivo en el vidrio para absorber los rayos ultravioleta e infrarrojos.
El cerio, como aditivo para vidrio, absorbe los rayos ultravioleta e infrarrojos y actualmente se utiliza ampliamente en los cristales de los automóviles. No solo protege contra los rayos ultravioleta, sino que también reduce la temperatura interior del vehículo, ahorrando así electricidad para el aire acondicionado. Desde 1997, los cristales de los automóviles japoneses incorporan óxido de cerio, y su uso en automóviles comenzó en 1996.
3. Propiedades y factores que influyen en la absorción infrarroja por compuestos metálicos
3.1Las propiedades y los factores que influyen en la absorción infrarroja por compuestos metálicos incluyen principalmente los siguientes aspectos:
Rango de absorción: La tasa de absorción de los compuestos metálicos a los rayos infrarrojos varía según factores como el tipo de metal, el estado de la superficie, la temperatura y la longitud de onda de los rayos infrarrojos. Los metales comunes como el aluminio, el cobre y el hierro suelen tener una tasa de absorción de rayos infrarrojos de entre el 10 % y el 50 % a temperatura ambiente. Por ejemplo, la tasa de absorción de la superficie de aluminio puro a los rayos infrarrojos a temperatura ambiente es de aproximadamente el 12 %, mientras que la de una superficie de cobre rugosa puede alcanzar cerca del 40 %.
3.2 Propiedades y factores que influyen en la absorción infrarroja por compuestos metálicos:
Tipos de metales: Los diferentes metales tienen diferentes estructuras atómicas y disposiciones electrónicas, lo que da como resultado diferentes capacidades de absorción de rayos infrarrojos.
Condición de la superficie: La rugosidad, la capa de óxido o el recubrimiento de la superficie metálica afectarán la tasa de absorción.
Temperatura: Los cambios de temperatura modificarán el estado electrónico dentro del metal, afectando así su absorción de rayos infrarrojos.
Longitud de onda infrarroja: Las diferentes longitudes de onda de los rayos infrarrojos tienen diferentes capacidades de absorción para los metales.
Cambios bajo condiciones específicas: Bajo ciertas condiciones específicas, la tasa de absorción de rayos infrarrojos por los metales puede variar significativamente. Por ejemplo, cuando una superficie metálica se recubre con una capa de material especial, su capacidad para absorber rayos infrarrojos puede aumentar. Además, los cambios en el estado electrónico de los metales en entornos de alta temperatura también pueden provocar un aumento en la tasa de absorción.
Campos de aplicación: Las propiedades de absorción infrarroja de los compuestos metálicos tienen un gran valor práctico en tecnología infrarroja, termografía y otros campos. Por ejemplo, controlando el recubrimiento o la temperatura de una superficie metálica, se puede ajustar su absorción de rayos infrarrojos, lo que permite aplicaciones en medición de temperatura, termografía, etc.
Métodos experimentales y antecedentes de la investigación: Los investigadores determinaron la tasa de absorción de rayos infrarrojos por metales mediante mediciones experimentales y estudios profesionales. Estos datos son importantes para comprender las propiedades ópticas de los compuestos metálicos y desarrollar aplicaciones relacionadas.
En resumen, las propiedades de absorción infrarroja de los compuestos metálicos se ven afectadas por muchos factores y pueden variar significativamente bajo diferentes condiciones. Estas propiedades se utilizan ampliamente en numerosos campos.