Quel est le principe d'absorption des rayons infrarouges par les composés métalliques et quels sont les facteurs qui l'influencent ?
Les composés métalliques, notamment ceux des terres rares, jouent un rôle crucial dans l'absorption infrarouge. En tant que leader dans le domaine des composés de métaux rares et de terres rares,UrbanMines Tech. Co., LtdNotre entreprise dessert près d'un huitième des clients mondiaux dans le domaine de l'absorption infrarouge. Afin de répondre aux questions techniques de nos clients sur ce sujet, notre centre de recherche et développement a rédigé cet article.
1. Principe et caractéristiques de l'absorption infrarouge par les composés métalliques
Le principe d'absorption infrarouge par les composés métalliques repose principalement sur la vibration de leur structure moléculaire et de leurs liaisons chimiques. La spectroscopie infrarouge étudie la structure moléculaire en mesurant la transition des niveaux d'énergie de vibration et de rotation intramoléculaires. La vibration des liaisons chimiques dans les composés métalliques induit une absorption infrarouge, notamment celle des liaisons organométalliques, celle de nombreuses liaisons inorganiques et celle du réseau cristallin, qui se manifestent dans différentes régions du spectre infrarouge.
Performances de différents composés métalliques dans les spectres infrarouges :
(1) Matériau MXène : Le MXène est un composé bidimensionnel de métal de transition, de carbone et d’azote, riche en composants, présentant une conductivité métallique, une grande surface spécifique et une surface active. Il possède différents taux d’absorption infrarouge dans les bandes du proche infrarouge et de l’infrarouge moyen/lointain et a été largement utilisé ces dernières années dans le camouflage infrarouge, la conversion photothermique et d’autres domaines.
(2).Composés de cuivre : Les composés de cuivre contenant du phosphore sont performants parmi les absorbeurs infrarouges, empêchant efficacement le phénomène de noircissement causé par les rayons ultraviolets et maintenant d'excellentes propriétés de transmission de la lumière visible et d'absorption infrarouge de manière stable pendant une longue période3.
cas d'application pratiques
(1) Camouflage infrarouge : Les matériaux MXène sont largement utilisés dans le camouflage infrarouge en raison de leurs excellentes propriétés d'absorption infrarouge. Ils peuvent réduire efficacement les caractéristiques infrarouges de la cible et améliorer le camouflage.
(2).Conversion photothermique : Les matériaux MXène ont de faibles caractéristiques d'émission dans les bandes infrarouges moyennes/lointaines, ce qui convient aux applications de conversion photothermique et peut convertir efficacement l'énergie lumineuse en énergie thermique2.
(3). Matériaux de fenêtres : Des compositions de résine contenant des absorbeurs infrarouges sont utilisées dans les matériaux de fenêtres pour bloquer efficacement les rayons infrarouges et améliorer l'efficacité énergétique 3.
Ces exemples d'application démontrent la diversité et l'aspect pratique des composés métalliques dans l'absorption infrarouge, et notamment leur rôle important dans la science et l'industrie modernes.
2. Quels composés métalliques peuvent absorber les rayons infrarouges ?
Les composés métalliques capables d'absorber les rayons infrarouges comprennentoxyde d'antimoine et d'étain (ATO), oxyde d'indium-étain (ITO), l'oxyde d'aluminium et de zinc (AZO), le trioxyde de tungstène (WO3), le tétroxyde de fer (Fe3O4) et le titanate de strontium (SrTiO3).
2.1 Caractéristiques d'absorption infrarouge des composés métalliques
Oxyde d'antimoine-étain (ATO) : Il peut bloquer la lumière proche infrarouge d'une longueur d'onde supérieure à 1500 nm, mais ne peut pas bloquer la lumière ultraviolette et la lumière infrarouge d'une longueur d'onde inférieure à 1500 nm.
Oxyde d'indium-étain (ITO) : Similaire à l'ATO, il a pour effet de bloquer la lumière proche infrarouge.
Oxyde de zinc et d'aluminium (AZO) : Il a également pour fonction de bloquer la lumière proche infrarouge.
Trioxyde de tungstène (WO3) : Il possède un effet de résonance plasmonique de surface localisée et un mécanisme d'absorption de petits polarons, peut bloquer le rayonnement infrarouge d'une longueur d'onde de 780 à 2500 nm, et est non toxique et peu coûteux.
Fe3O4 : Il possède de bonnes propriétés d'absorption infrarouge et de réponse thermique et est souvent utilisé dans les capteurs et détecteurs infrarouges.
Le titanate de strontium (SrTiO3) possède d'excellentes propriétés d'absorption infrarouge et optiques, ce qui le rend adapté aux capteurs et détecteurs infrarouges.
Le fluorure d'erbium (ErF3) est un composé de terres rares capable d'absorber les rayons infrarouges. Il se présente sous forme de cristaux roses, a un point de fusion de 1 350 °C, un point d'ébullition de 2 200 °C et une densité de 7,814 g/cm³. Il est principalement utilisé dans les revêtements optiques, le dopage des fibres optiques, les cristaux laser, les monocristaux, les amplificateurs laser, les catalyseurs et d'autres applications.
2.2 Application des composés métalliques dans les matériaux absorbant l'infrarouge
Ces composés métalliques sont largement utilisés dans les matériaux d'absorption infrarouge. Par exemple, l'ATO, l'ITO et l'AZO sont fréquemment employés dans les revêtements conducteurs transparents, antistatiques et de protection contre les radiations, ainsi que dans les électrodes transparentes. Le WO₃ est quant à lui largement utilisé dans divers matériaux d'isolation thermique, d'absorption et de réflexion infrarouges grâce à ses excellentes performances de blindage dans le proche infrarouge et à sa non-toxicité. Ces composés métalliques jouent un rôle important dans le domaine de la technologie infrarouge grâce à leurs caractéristiques uniques d'absorption infrarouge.
2.3 Quels composés de terres rares peuvent absorber les rayons infrarouges ?
Parmi les terres rares, l'hexaborure de lanthane et le borure de lanthane de taille nanométrique peuvent absorber les rayons infrarouges.hexaborure de lanthane (LaB6)L'hexaborure de lanthane est un matériau largement utilisé dans les domaines du radar, de l'aérospatiale, de l'électronique, de l'instrumentation, du matériel médical, de la métallurgie des appareils ménagers, de la protection de l'environnement et autres. Plus particulièrement, le monocristal d'hexaborure de lanthane sert à la fabrication de tubes électroniques de forte puissance, de magnétrons, de faisceaux d'électrons et d'ions, ainsi que de cathodes d'accélérateurs.
De plus, le borure de lanthane à l'échelle nanométrique possède également la propriété d'absorber les rayons infrarouges. Il est utilisé comme revêtement sur les films de polyéthylène pour bloquer les rayons infrarouges du rayonnement solaire. Tout en absorbant les infrarouges, le borure de lanthane à l'échelle nanométrique n'absorbe que très peu de lumière visible. Ce matériau peut empêcher les rayons infrarouges de pénétrer dans les vitres par temps chaud et permettre une utilisation plus efficace de l'énergie lumineuse et thermique par temps froid.
Les terres rares sont largement utilisées dans de nombreux domaines, notamment militaire, nucléaire, de haute technologie et dans les produits de consommation courante. Par exemple, le lanthane est utilisé pour améliorer les performances tactiques des alliages entrant dans la composition d'armes et d'équipements, le gadolinium et ses isotopes servent d'absorbeurs de neutrons dans le domaine nucléaire, et le cérium est utilisé comme additif pour le verre afin d'absorber les rayons ultraviolets et infrarouges.
Le cérium, utilisé comme additif pour le verre, absorbe les rayons ultraviolets et infrarouges et est aujourd'hui largement employé dans les vitres automobiles. Il protège non seulement des rayons ultraviolets, mais réduit également la température à l'intérieur du véhicule, ce qui permet de réaliser des économies d'énergie liées à la climatisation. Depuis 1997, le verre automobile japonais contient de l'oxyde de cérium, utilisé depuis 1996 dans les automobiles.
3. Propriétés et facteurs influençant l'absorption infrarouge par les composés métalliques
3.1 Les propriétés et les facteurs influençant l'absorption infrarouge par les composés métalliques comprennent principalement les aspects suivants :
Taux d'absorption : Le taux d'absorption des composés métalliques aux rayons infrarouges varie en fonction de facteurs tels que le type de métal, l'état de surface, la température et la longueur d'onde des rayons infrarouges. Les métaux courants comme l'aluminium, le cuivre et le fer présentent généralement un taux d'absorption des rayons infrarouges compris entre 10 % et 50 % à température ambiante. Par exemple, le taux d'absorption d'une surface d'aluminium pur aux rayons infrarouges à température ambiante est d'environ 12 %, tandis que celui d'une surface de cuivre rugueuse peut atteindre environ 40 %.
3.2 Propriétés et facteurs influençant l'absorption infrarouge par les composés métalliques :
Types de métaux : Les différents métaux ont des structures atomiques et des arrangements électroniques différents, ce qui entraîne des capacités d'absorption différentes pour les rayons infrarouges.
État de surface : La rugosité, la couche d'oxyde ou le revêtement de la surface métallique affecteront le taux d'absorption.
Température : Les variations de température modifient l'état électronique à l'intérieur du métal, affectant ainsi son absorption des rayons infrarouges.
Longueur d'onde infrarouge : Les différentes longueurs d'onde des rayons infrarouges ont des capacités d'absorption différentes pour les métaux.
Modifications dans des conditions spécifiques : Dans certaines conditions spécifiques, le taux d’absorption des rayons infrarouges par les métaux peut varier considérablement. Par exemple, le revêtement d’une surface métallique par une couche de matériau spécial peut améliorer sa capacité d’absorption des rayons infrarouges. De plus, les modifications de l’état électronique des métaux en milieu à haute température peuvent également entraîner une augmentation du taux d’absorption.
Domaines d'application : Les propriétés d'absorption infrarouge des composés métalliques présentent un intérêt majeur pour les technologies infrarouges, l'imagerie thermique et d'autres domaines. Par exemple, en contrôlant le revêtement ou la température d'une surface métallique, il est possible d'ajuster son absorption des rayons infrarouges, ce qui ouvre la voie à des applications telles que la mesure de température et l'imagerie thermique.
Méthodes expérimentales et contexte de la recherche : Les chercheurs ont déterminé le taux d’absorption des rayons infrarouges par les métaux grâce à des mesures expérimentales et des études spécialisées. Ces données sont importantes pour la compréhension des propriétés optiques des composés métalliques et le développement d’applications connexes.
En résumé, les propriétés d'absorption infrarouge des composés métalliques sont influencées par de nombreux facteurs et peuvent varier considérablement selon les conditions. Ces propriétés sont largement exploitées dans de nombreux domaines.