Mis on infrapunakiirgust neelavate metalliühendite põhimõte ja millised on selle mõjutegurid?
Metalliühendid, sealhulgas haruldased muldmetallid, mängivad infrapuna neeldumisel otsustavat rolli. Olles haruldaste metallide ja haruldaste muldmetallide ühendite liider,UrbanMines Tech. Co., Ltd. teenindab ligi 1/8 maailma klientidest infrapuna neeldumiseks. Meie ettevõtte uurimis- ja arenduskeskus koostas selle artikli, et vastata klientide tehnilistele päringutele selles küsimuses.
1. Metalliühendite infrapunakiirguse neeldumise põhimõte ja omadused
Metalliühendite infrapunakiirguse neeldumise põhimõte põhineb peamiselt nende molekulaarstruktuuri ja keemiliste sidemete vibratsioonil. Infrapunaspektroskoopia uurib molekulide struktuuri, mõõtes molekulisisese vibratsiooni ja pöörlemisenergia tasemete üleminekut. Keemiliste sidemete vibratsioon metalliühendites toob kaasa infrapuna neeldumise, eriti metall-orgaaniliste sidemete, paljude anorgaaniliste sidemete vibratsiooni ja kristalliraami vibratsiooni, mis ilmneb infrapunaspektri erinevates piirkondades.
Erinevate metalliühendite toimivus infrapunaspektris:
(1). MXene materjal: MXene on kahemõõtmeline siirdemetall-süsinik/lämmastiku ühend, millel on rikkalikud komponendid, metalliline juhtivus, suur eripind ja aktiivne pind. Sellel on infrapuna infrapuna neeldumiskiirused lähi- ja keskmises/kaug-infrapuna sagedusalas ning seda on viimastel aastatel laialdaselt kasutatud infrapuna kamuflaažis, fototermilises muundamises ja muudes valdkondades.
(2).Vaseühendid : fosforit sisaldavad vaseühendid toimivad hästi infrapunakiirguse neelajate hulgas, vältides tõhusalt ultraviolettkiirte poolt põhjustatud mustaks muutumist ning säilitades suurepärased nähtava valguse läbilaskvuse ja infrapunakiirguse neeldumisomadused stabiilselt pika aja jooksul3.
Praktilised rakendusjuhtumid
(1). Infrapuna kamuflaaž: MXene materjale kasutatakse laialdaselt infrapuna kamuflaažis nende suurepäraste infrapuna neeldumisomaduste tõttu. Need võivad tõhusalt vähendada sihtmärgi infrapuna omadusi ja parandada varjamist2.
(2). Fototermiline muundamine: MXene materjalidel on madalad emissiooniomadused keskmises/kaug-infrapunaribas, mis sobivad fototermilise muundamise rakendusteks ja võivad valgusenergia tõhusalt muundada soojusenergiaks2.
(3) Aknamaterjalid: Aknamaterjalides kasutatakse infrapunakiirte tõhusaks blokeerimiseks ja energiatõhususe parandamiseks infrapuna neeldujaid sisaldavaid vaigukompositsioone.
Need rakendusjuhtumid näitavad metalliühendite mitmekesisust ja praktilisust infrapuna neeldumisel, eriti nende olulist rolli kaasaegses teaduses ja tööstuses.
2.Millised metalliühendid suudavad infrapunakiiri neelata?
Metalliühendid, mis võivad neelata infrapunakiiri, hõlmavadantimoni tinaoksiid (ATO), indiumtinaoksiid (ITO), alumiiniumtsinkoksiid (AZO), volframtrioksiid (WO3), raudtetroksiid (Fe3O4) ja strontsiumtitanaat (SrTiO3).
2.1 Metalliühendite infrapuna neeldumisomadused
Antimoni tinaoksiid (ATO): see suudab varjestada lähiinfrapunavalgust lainepikkusega üle 1500 nm, kuid ei suuda varjestada ultraviolettvalgust ega infrapunavalgust, mille lainepikkus on alla 1500 nm.
Indiumtinaoksiid (ITO): sarnaselt ATO-ga varjab see infrapunavalgust.
Tsink alumiiniumoksiid (AZO): sellel on ka infrapunavalguse varjestus.
Volframtrioksiid (WO3): sellel on lokaalne pinnaplasmonresonantsefekt ja väike polaroonide neeldumismehhanism, see suudab varjestada infrapunakiirgust lainepikkusega 780–2500 nm ning on mittetoksiline ja odav.
Fe3O4: sellel on head infrapuna neeldumis- ja termilise reaktsiooni omadused ning seda kasutatakse sageli infrapunaandurites ja detektorites.
Strontsiumtitanaat (SrTiO3): suurepärase infrapuna neeldumise ja optiliste omadustega, sobib infrapunaandurite ja detektorite jaoks.
Erbiumfluoriid (ErF3) on haruldaste muldmetallide ühend, mis suudab neelata infrapunakiiri. Erbiumfluoriidil on roosad kristallid, sulamistemperatuur 1350 °C, keemistemperatuur 2200 °C ja tihedus 7,814 g/cm³. Seda kasutatakse peamiselt optilistes katetes, kiuddopingus, laserkristallides, ühekristallilistes toorainetes, laservõimendites, katalüsaatorilisandites ja muudes valdkondades.
2.2 Metalliühendite kasutamine infrapunakiirgust neelavates materjalides
Neid metalliühendeid kasutatakse laialdaselt infrapuna neeldumismaterjalides. Näiteks kasutatakse ATO, ITO ja AZO sageli läbipaistvates juhtivates, antistaatilistes, kiirguskaitsekatetes ja läbipaistvates elektroodides; WO3 kasutatakse laialdaselt erinevates soojusisolatsiooni-, neeldumis- ja peegelduvates infrapunamaterjalides tänu oma suurepärasele lähi-infrapuna varjestusele ja mittetoksilistele omadustele. Need metalliühendid mängivad infrapunatehnoloogia valdkonnas olulist rolli tänu oma ainulaadsetele infrapuna neeldumisomadustele.
2.3 Millised haruldased muldmetallid võivad infrapunakiirgust neelata?
Haruldaste muldmetallide elementide hulgas võivad infrapunakiirgust neelata lantaanheksaboriid ja nano-suuruses lantaanboriid.Lantaanheksaboriid (LaB6)on materjal, mida kasutatakse laialdaselt radari-, kosmose-, elektroonikatööstuses, mõõteriistades, meditsiiniseadmetes, kodumasinate metallurgias, keskkonnakaitses ja muudes valdkondades. Eelkõige on lantaanheksaboriidi monokristall materjal suure võimsusega elektrontorude, magnetronide, elektronkiirte, ioonkiirte ja kiirendi katoodide valmistamiseks.
Lisaks on nanomõõtmelisel lantaanboriidil ka omadus neelata infrapunakiiri. Seda kasutatakse polüetüleenkile lehtede pinnakattes, et blokeerida infrapunakiirgust päikesevalguse eest. Infrapunakiirte neelamisel ei neela nanomõõtmeline lantaanboriid liiga palju nähtavat valgust. See materjal võib kuumas kliimas takistada infrapunakiirte sisenemist aknaklaasi ning külmas kliimas saab tõhusamalt kasutada valgust ja soojusenergiat.
Haruldasi muldmetalli elemente kasutatakse laialdaselt paljudes valdkondades, sealhulgas sõjanduses, tuumaenergias, kõrgtehnoloogias ja igapäevastes tarbekaupades. Näiteks kasutatakse lantaani sulamite taktikalise jõudluse parandamiseks relvades ja varustuses, gadoliiniumi ja selle isotoope kasutatakse tuumaenergia valdkonnas neutronite absorbeerijatena ning tseeriumi kasutatakse klaasilisandina ultraviolett- ja infrapunakiirte neelamiseks.
Klaasi lisandina tseerium suudab neelata ultraviolett- ja infrapunakiiri ning seda kasutatakse nüüd laialdaselt autoklaasides. See mitte ainult ei kaitse ultraviolettkiirte eest, vaid alandab ka temperatuuri autos, säästes nii kliimaseadme elektrienergiat. Alates 1997. aastast on Jaapani autoklaasile lisatud tseeriumoksiidi ja seda hakati autodes kasutama 1996. aastal.
3. Metalliühendite infrapuna neeldumise omadused ja mõjutegurid
3.1 Metalliühendite infrapuna neeldumise omadused ja mõjutegurid hõlmavad peamiselt järgmisi aspekte:
Neeldumiskiiruse vahemik: metalliühendite infrapunakiirte neeldumiskiirus varieerub sõltuvalt sellistest teguritest nagu metalli tüüp, pinna olek, temperatuur ja infrapunakiirte lainepikkus. Lihtmetallide, nagu alumiinium, vask ja raud, infrapunakiirguse neeldumismäär on toatemperatuuril tavaliselt 10–50%. Näiteks puhta alumiiniumpinna neeldumiskiirus infrapunakiirtele toatemperatuuril on umbes 12%, samas kui töötlemata vaskpinna neeldumismäär võib ulatuda umbes 40% -ni.
3.2 Metalliühendite infrapuna neeldumise omadused ja mõjutegurid:
Metallitüübid: erinevatel metallidel on erinev aatomistruktuur ja elektronide paigutus, mille tulemuseks on nende erinev infrapunakiirte neeldumisvõime.
Pinna seisund: metalli pinna karedus, oksiidikiht või kattekiht mõjutab neeldumiskiirust.
Temperatuur: temperatuurimuutused muudavad metalli elektroonilist olekut, mõjutades seeläbi selle infrapunakiirte neeldumist.
Infrapuna lainepikkus: erinevatel infrapunakiirte lainepikkustel on metallide puhul erinev neeldumisvõime.
Muudatused eritingimustes: teatud eritingimustes võib metallide infrapunakiirte neeldumiskiirus oluliselt muutuda. Näiteks kui metallpind kaetakse spetsiaalse materjali kihiga, saab selle infrapunakiirte neelamise võimet suurendada. Lisaks võivad metallide elektroonilise oleku muutused kõrge temperatuuriga keskkondades kaasa tuua ka neeldumiskiiruse suurenemise.
Kasutusvaldkonnad: metalliühendite infrapuna neeldumisomadustel on oluline kasutusväärtus infrapunatehnoloogias, termopildistamisel ja muudes valdkondades. Näiteks reguleerides metallpinna kattekihti või temperatuuri, saab reguleerida selle infrapunakiirte neeldumist, mis võimaldab rakendusi temperatuuri mõõtmisel, termopildistamisel jne.
Katsemeetodid ja uurimistöö taust: teadlased määrasid eksperimentaalsete mõõtmiste ja professionaalsete uuringute abil infrapunakiirte neeldumiskiiruse metallide poolt. Need andmed on olulised metalliühendite optiliste omaduste mõistmiseks ja nendega seotud rakenduste väljatöötamiseks.
Kokkuvõtteks võib öelda, et metalliühendite infrapuna neeldumisomadusi mõjutavad paljud tegurid ja need võivad erinevates tingimustes oluliselt muutuda. Neid omadusi kasutatakse laialdaselt paljudes valdkondades.