Qual è il principio secondo cui i composti metallici assorbono i raggi infrarossi e quali sono i fattori che li influenzano?
I composti metallici, compresi i composti delle terre rare, svolgono un ruolo cruciale nell'assorbimento degli infrarossi. In qualità di leader nei composti di metalli rari e terre rare,Tecnologia UrbanMines. Co., Ltd. serve quasi 1/8 dei clienti mondiali per l'assorbimento degli infrarossi. Per rispondere alle domande tecniche dei nostri clienti su questo argomento, il centro di ricerca e sviluppo della nostra azienda ha compilato questo articolo per fornire risposte
1.Principio e caratteristiche dell'assorbimento dell'infrarosso da parte dei composti metallici
Il principio dell'assorbimento degli infrarossi da parte dei composti metallici si basa principalmente sulla vibrazione della loro struttura molecolare e dei legami chimici. La spettroscopia infrarossa studia la struttura molecolare misurando la transizione delle vibrazioni intramolecolari e dei livelli di energia rotazionale. La vibrazione dei legami chimici nei composti metallici porterà all'assorbimento dell'infrarosso, in particolare ai legami metallo-organici nei composti metallo-organici, alla vibrazione di molti legami inorganici e alla vibrazione della struttura del cristallo, che apparirà in diverse regioni dello spettro infrarosso.
Prestazioni di diversi composti metallici negli spettri infrarossi:
(1). Materiale MXene: MXene è un composto di transizione metallo-carbonio/azoto bidimensionale con componenti ricchi, conduttività metallica, un'ampia area superficiale specifica e una superficie attiva. Ha diversi tassi di assorbimento dell'infrarosso nelle bande del vicino e del medio/lontano infrarosso ed è stato ampiamente utilizzato negli ultimi anni nel camuffamento degli infrarossi, nella conversione fototermica e in altri campi.
(2).Composti di rame: i composti di rame contenenti fosforo funzionano bene tra gli assorbitori di infrarossi, prevenendo efficacemente il fenomeno dell'annerimento causato dai raggi ultravioletti e mantenendo stabilmente per lungo tempo un'eccellente trasmissione della luce visibile e proprietà di assorbimento degli infrarossi3.
Casi pratici di applicazione
(1).Mimetizzazione a infrarossi: i materiali MXene sono ampiamente utilizzati nel mimetismo a infrarossi grazie alle loro eccellenti proprietà di assorbimento degli infrarossi. Possono ridurre efficacemente le caratteristiche infrarosse del bersaglio e migliorare l'occultamento2.
(2).Conversione fototermica: i materiali MXene hanno caratteristiche di bassa emissione nelle bande dell'infrarosso medio/lontano, che sono adatte per applicazioni di conversione fototermica e possono convertire in modo efficiente l'energia luminosa in energia termica2.
(3). Materiali per finestre: le composizioni di resina contenenti assorbitori di infrarossi vengono utilizzate nei materiali per finestre per bloccare efficacemente i raggi infrarossi e migliorare l'efficienza energetica 3.
Questi casi applicativi dimostrano la diversità e la praticità dei composti metallici nell’assorbimento degli infrarossi, in particolare il loro ruolo importante nella scienza e nell’industria moderne.
2.Quali composti metallici possono assorbire i raggi infrarossi?
I composti metallici che possono assorbire i raggi infrarossi includonoossido di antimonio e stagno (ATO), ossido di indio-stagno (ITO), ossido di alluminio e zinco (AZO), triossido di tungsteno (WO3), tetrossido di ferro (Fe3O4) e titanato di stronzio (SrTiO3).
2.1 Caratteristiche di assorbimento dell'infrarosso dei composti metallici
Ossido di stagno e antimonio (ATO): può schermare la luce del vicino infrarosso con una lunghezza d'onda superiore a 1500 nm, ma non può schermare la luce ultravioletta e la luce infrarossa con una lunghezza d'onda inferiore a 1500 nm.
Ossido di indio-stagno (ITO): simile all'ATO, ha l'effetto di schermare la luce del vicino infrarosso.
Ossido di zinco e alluminio (AZO): ha anche la funzione di schermare la luce del vicino infrarosso.
Triossido di tungsteno (WO3): ha un effetto di risonanza plasmonica superficiale localizzato e un piccolo meccanismo di assorbimento dei polaroni, può schermare la radiazione infrarossa con una lunghezza d'onda di 780-2500 nm ed è atossico e poco costoso.
Fe3O4: ha buone proprietà di assorbimento degli infrarossi e di risposta termica ed è spesso utilizzato in sensori e rilevatori a infrarossi.
Titanato di stronzio (SrTiO3): ha eccellenti proprietà ottiche e di assorbimento dell'infrarosso, adatto per sensori e rilevatori a infrarossi.
Fluoruro di erbio (ErF3): è un composto di terre rare in grado di assorbire i raggi infrarossi. Il fluoruro di erbio ha cristalli di colore rosa, un punto di fusione di 1350°C, un punto di ebollizione di 2200°C e una densità di 7,814 g/cm³. Viene utilizzato principalmente in rivestimenti ottici, drogaggio di fibre, cristalli laser, materie prime monocristalline, amplificatori laser, additivi catalitici e altri campi.
2.2 Applicazione di composti metallici in materiali che assorbono l'infrarosso
Questi composti metallici sono ampiamente utilizzati nei materiali per l'assorbimento degli infrarossi. Ad esempio, ATO, ITO e AZO sono spesso utilizzati in rivestimenti trasparenti conduttivi, antistatici, di protezione dalle radiazioni ed elettrodi trasparenti; WO3 è ampiamente utilizzato in vari materiali di isolamento termico, assorbimento e riflessione degli infrarossi grazie alle sue eccellenti prestazioni di schermatura nel vicino infrarosso e alle proprietà non tossiche. Questi composti metallici svolgono un ruolo importante nel campo della tecnologia a infrarossi grazie alle loro caratteristiche uniche di assorbimento dell'infrarosso.
2.3 Quali composti delle terre rare possono assorbire i raggi infrarossi?
Tra gli elementi delle terre rare, l'esaboruro di lantanio e il boruro di lantanio di dimensioni nanometriche possono assorbire i raggi infrarossi.Esaboruro di lantanio (LaB6)è un materiale ampiamente utilizzato nei radar, nell'industria aerospaziale, nell'industria elettronica, nella strumentazione, nelle apparecchiature mediche, nella metallurgia degli elettrodomestici, nella protezione ambientale e in altri campi. In particolare, il cristallo singolo di esaboruro di lantanio è un materiale per realizzare tubi elettronici ad alta potenza, magnetron, fasci di elettroni, fasci di ioni e catodi di acceleratori.
Inoltre, il boruro di lantanio su scala nanometrica ha anche la proprietà di assorbire i raggi infrarossi. Viene utilizzato nel rivestimento della superficie dei fogli di pellicola di polietilene per bloccare i raggi infrarossi della luce solare. Pur assorbendo i raggi infrarossi, il boruro di lantanio su scala nanometrica non assorbe troppa luce visibile. Questo materiale può impedire ai raggi infrarossi di entrare nel vetro delle finestre nei climi caldi e può utilizzare in modo più efficace l'energia luminosa e termica nei climi freddi.
Gli elementi delle terre rare sono ampiamente utilizzati in molti campi, tra cui quello militare, l'energia nucleare, l'alta tecnologia e i prodotti di consumo quotidiano. Ad esempio, il lantanio viene utilizzato per migliorare le prestazioni tattiche delle leghe nelle armi e nelle attrezzature, il gadolinio e i suoi isotopi vengono utilizzati come assorbitori di neutroni nel campo dell'energia nucleare e il cerio viene utilizzato come additivo per il vetro per assorbire i raggi ultravioletti e infrarossi.
Il cerio, come additivo per il vetro, può assorbire i raggi ultravioletti e infrarossi ed è ora ampiamente utilizzato nei vetri delle automobili. Non solo protegge dai raggi ultravioletti ma riduce anche la temperatura all'interno dell'auto, risparmiando così elettricità per l'aria condizionata. Dal 1997, al vetro automobilistico giapponese è stato aggiunto ossido di cerio ed è stato utilizzato nelle automobili nel 1996.
3.Proprietà e fattori che influenzano l'assorbimento dell'infrarosso da parte dei composti metallici
3.1Le proprietà e i fattori che influenzano l'assorbimento degli infrarossi da parte dei composti metallici comprendono principalmente i seguenti aspetti:
Intervallo del tasso di assorbimento: il tasso di assorbimento dei composti metallici ai raggi infrarossi varia a seconda di fattori quali il tipo di metallo, lo stato della superficie, la temperatura e la lunghezza d'onda dei raggi infrarossi. I metalli comuni come alluminio, rame e ferro hanno solitamente un tasso di assorbimento dei raggi infrarossi compreso tra il 10% e il 50% a temperatura ambiente. Ad esempio, il tasso di assorbimento dei raggi infrarossi della superficie di alluminio puro a temperatura ambiente è di circa il 12%, mentre il tasso di assorbimento della superficie di rame grezzo può raggiungere circa il 40%.
3.2 Proprietà e fattori che influenzano l'assorbimento degli infrarossi da parte dei composti metallici:
Tipi di metalli: metalli diversi hanno strutture atomiche e disposizioni elettroniche diverse, con conseguenti diverse capacità di assorbimento dei raggi infrarossi.
Condizioni superficiali: la rugosità, lo strato di ossido o il rivestimento della superficie metallica influenzeranno il tasso di assorbimento.
Temperatura: i cambiamenti di temperatura cambieranno lo stato elettronico all'interno del metallo, influenzando così il suo assorbimento dei raggi infrarossi.
Lunghezza d'onda degli infrarossi: diverse lunghezze d'onda dei raggi infrarossi hanno diverse capacità di assorbimento per i metalli.
Cambiamenti in condizioni specifiche: in determinate condizioni specifiche, il tasso di assorbimento dei raggi infrarossi da parte dei metalli può cambiare in modo significativo. Ad esempio, quando una superficie metallica viene rivestita con uno strato di materiale speciale, la sua capacità di assorbire i raggi infrarossi può essere migliorata. Inoltre, anche i cambiamenti nello stato elettronico dei metalli in ambienti ad alta temperatura possono portare ad un aumento del tasso di assorbimento.
Campi di applicazione: le proprietà di assorbimento degli infrarossi dei composti metallici hanno un importante valore applicativo nella tecnologia a infrarossi, nell'imaging termico e in altri campi. Ad esempio, controllando il rivestimento o la temperatura di una superficie metallica, è possibile regolare il suo assorbimento dei raggi infrarossi, consentendo applicazioni nella misurazione della temperatura, nell'imaging termico, ecc.
Metodi sperimentali e background della ricerca: i ricercatori hanno determinato il tasso di assorbimento dei raggi infrarossi da parte dei metalli attraverso misurazioni sperimentali e studi professionali. Questi dati sono importanti per comprendere le proprietà ottiche dei composti metallici e sviluppare applicazioni correlate.
In sintesi, le proprietà di assorbimento degli infrarossi dei composti metallici sono influenzate da molti fattori e possono cambiare in modo significativo in condizioni diverse. Queste proprietà sono ampiamente utilizzate in molti campi.