หลักการของสารประกอบโลหะที่ดูดซับรังสีอินฟราเรดคืออะไร และปัจจัยที่มีอิทธิพลคืออะไร
สารประกอบโลหะ รวมถึงสารประกอบของธาตุหายาก มีบทบาทสำคัญในการดูดกลืนแสงอินฟราเรด ในฐานะผู้นำด้านโลหะหายากและสารประกอบโลหะหายากเออร์เบินไมนส์เทค บจก- ให้บริการลูกค้าเกือบ 1/8 ของโลกสำหรับการดูดซับอินฟราเรด เพื่อตอบคำถามด้านเทคนิคของลูกค้าเกี่ยวกับเรื่องนี้ ศูนย์วิจัยและพัฒนาของบริษัทเราได้รวบรวมบทความนี้เพื่อให้คำตอบ
1.หลักการและคุณลักษณะของการดูดกลืนแสงอินฟราเรดโดยสารประกอบโลหะ
หลักการของการดูดกลืนแสงอินฟราเรดโดยสารประกอบโลหะนั้นขึ้นอยู่กับการสั่นสะเทือนของโครงสร้างโมเลกุลและพันธะเคมีเป็นหลัก สเปกโทรสโกปีแบบอินฟราเรดศึกษาโครงสร้างโมเลกุลโดยการวัดการเปลี่ยนแปลงของระดับการสั่นสะเทือนภายในโมเลกุลและพลังงานการหมุน การสั่นสะเทือนของพันธะเคมีในสารประกอบโลหะจะนำไปสู่การดูดกลืนแสงอินฟราเรด โดยเฉพาะพันธะโลหะ-อินทรีย์ในสารประกอบโลหะ-อินทรีย์ การสั่นสะเทือนของพันธะอนินทรีย์หลายชนิด และการสั่นของกรอบคริสตัล ซึ่งจะปรากฏในบริเวณต่างๆ ของสเปกตรัมอินฟราเรด
ประสิทธิภาพของสารประกอบโลหะชนิดต่างๆ ในสเปกตรัมอินฟราเรด :
(1) วัสดุ MXene: MXene เป็นสารประกอบโลหะคาร์บอน/ไนโตรเจนทรานซิชันสองมิติที่มีส่วนประกอบมากมาย ค่าการนำไฟฟ้าของโลหะ พื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่ และพื้นผิวที่ใช้งานอยู่ มีอัตราการดูดกลืนแสงอินฟราเรดที่แตกต่างกันในแถบอินฟราเรดใกล้และแถบอินฟราเรดกลาง/ไกล และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการพรางอินฟราเรด การแปลงความร้อนจากแสง และด้านอื่นๆ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา
(2).สารประกอบทองแดง : สารประกอบทองแดงที่มีฟอสฟอรัสทำงานได้ดีในหมู่ตัวดูดซับอินฟราเรด ป้องกันปรากฏการณ์สีดำคล้ำที่เกิดจากรังสีอัลตราไวโอเลตได้อย่างมีประสิทธิภาพ และรักษาการส่งผ่านแสงที่มองเห็นได้ดีเยี่ยมและการดูดกลืนแสงอินฟราเรดได้อย่างเสถียรเป็นเวลานาน3
กรณีการใช้งานจริง
(1).ลายพรางอินฟราเรด : วัสดุ MXene ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการพรางอินฟราเรด เนื่องจากมีคุณสมบัติการดูดกลืนแสงอินฟราเรดที่ดีเยี่ยม พวกเขาสามารถลดคุณลักษณะอินฟราเรดของเป้าหมายได้อย่างมีประสิทธิภาพและปรับปรุงการปกปิด2
(2).การแปลงความร้อนใต้พิภพ : วัสดุ MXene มีลักษณะการปล่อยก๊าซต่ำในแถบอินฟราเรดกลาง/ไกล ซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานการแปลงความร้อนใต้พิภพ และสามารถเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ2
(3) วัสดุหน้าต่าง: องค์ประกอบของเรซินที่มีตัวดูดซับอินฟราเรดถูกนำมาใช้ในวัสดุหน้าต่างเพื่อป้องกันรังสีอินฟราเรดอย่างมีประสิทธิภาพและปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน
กรณีการใช้งานเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความหลากหลายและการใช้งานจริงของสารประกอบโลหะในการดูดกลืนแสงอินฟราเรด โดยเฉพาะอย่างยิ่งบทบาทที่สำคัญในวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรมสมัยใหม่
2.สารประกอบโลหะชนิดใดที่สามารถดูดซับรังสีอินฟราเรดได้?
สารประกอบโลหะที่สามารถดูดซับรังสีอินฟราเรดได้ได้แก่พลวงดีบุกออกไซด์ (ATO), อินเดียมดีบุกออกไซด์ (ITO), อลูมิเนียมซิงค์ออกไซด์ (AZO), ทังสเตนไตรออกไซด์ (WO3), เหล็กเตตรอกไซด์ (Fe3O4) และสตรอนเซียมไททาเนต (SrTiO3)
2.1 ลักษณะการดูดกลืนแสงอินฟราเรดของสารประกอบโลหะ
พลวงดีบุกออกไซด์ (ATO): สามารถป้องกันแสงอินฟราเรดใกล้ที่มีความยาวคลื่นมากกว่า 1,500 นาโนเมตร แต่ไม่สามารถป้องกันแสงอัลตราไวโอเลตและแสงอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นน้อยกว่า 1,500 นาโนเมตรได้
อินเดียมทินออกไซด์ (ITO): คล้ายกับ ATO มีผลในการป้องกันแสงอินฟราเรดใกล้
ซิงค์อลูมิเนียมออกไซด์ (AZO): ยังมีหน้าที่ป้องกันแสงอินฟราเรดใกล้อีกด้วย
ทังสเตนไตรออกไซด์ (WO3): มีเอฟเฟกต์พลาสโมเรโซแนนซ์พื้นผิวเฉพาะจุดและกลไกการดูดกลืนโพลารอนขนาดเล็ก สามารถป้องกันรังสีอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่น 780-2500 นาโนเมตร และไม่เป็นพิษและราคาไม่แพง
Fe3O4: มีคุณสมบัติการดูดซับอินฟราเรดและการตอบสนองต่อความร้อนที่ดี และมักใช้ในเซ็นเซอร์และเครื่องตรวจจับอินฟราเรด
สตรอนเทียม ไททาเนต (SrTiO3): มีการดูดกลืนแสงอินฟราเรดและคุณสมบัติทางแสงที่ดีเยี่ยม เหมาะสำหรับเซ็นเซอร์และเครื่องตรวจจับอินฟราเรด
เออร์เบียมฟลูออไรด์ (ErF3) : เป็นสารประกอบของธาตุหายากที่สามารถดูดซับรังสีอินฟราเรดได้ เออร์เบียมฟลูออไรด์มีผลึกสีกุหลาบ จุดหลอมเหลว 1350°C จุดเดือด 2200°C และความหนาแน่น 7.814g/cm³ ส่วนใหญ่จะใช้ในการเคลือบแสง การเติมไฟเบอร์ ผลึกเลเซอร์ วัตถุดิบผลึกเดี่ยว เครื่องขยายสัญญาณเลเซอร์ สารเติมแต่งตัวเร่งปฏิกิริยา และสาขาอื่นๆ
2.2 การใช้สารประกอบโลหะในวัสดุดูดซับอินฟราเรด
สารประกอบโลหะเหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในวัสดุดูดซับอินฟราเรด ตัวอย่างเช่น ATO, ITO และ AZO มักใช้ในการเคลือบป้องกันไฟฟ้าสถิต ป้องกันรังสี และอิเล็กโทรดโปร่งใสที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าโปร่งใส WO3 ใช้กันอย่างแพร่หลายในฉนวนกันความร้อน การดูดซับ และการสะท้อนของวัสดุอินฟราเรดต่างๆ เนื่องมาจากประสิทธิภาพการป้องกันรังสีอินฟราเรดใกล้ที่ยอดเยี่ยมและคุณสมบัติที่ไม่เป็นพิษ สารประกอบโลหะเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในด้านเทคโนโลยีอินฟราเรดเนื่องจากมีลักษณะการดูดกลืนแสงอินฟราเรดที่เป็นเอกลักษณ์
2.3 สารประกอบแรร์เอิร์ธชนิดใดที่สามารถดูดซับรังสีอินฟราเรดได้
ในบรรดาธาตุหายาก แลนทานัมเฮกซาโบไรด์และแลนทานัมโบไรด์ขนาดนาโนสามารถดูดซับรังสีอินฟราเรดได้แลนทานัมเฮกซาโบไรด์ (LaB6)เป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในเรดาร์ การบินและอวกาศ อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ เครื่องมือวัด อุปกรณ์ทางการแพทย์ โลหะวิทยาเครื่องใช้ในบ้าน การคุ้มครองสิ่งแวดล้อม และสาขาอื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งแลนทานัมเฮกซาโบไรด์ผลึกเดี่ยวเป็นวัสดุสำหรับสร้างหลอดอิเล็กตรอนกำลังสูง แมกนีตรอน ลำอิเล็กตรอน ลำแสงไอออน และแคโทดของเครื่องเร่ง
นอกจากนี้แลนทานัมโบไรด์ระดับนาโนยังมีคุณสมบัติในการดูดซับรังสีอินฟราเรดอีกด้วย ใช้ในการเคลือบบนพื้นผิวของแผ่นฟิล์มโพลีเอทิลีนเพื่อป้องกันรังสีอินฟราเรดจากแสงแดด ในขณะที่ดูดซับรังสีอินฟราเรด แลนทานัมโบไรด์ระดับนาโนจะไม่ดูดซับแสงที่มองเห็นได้มากเกินไป วัสดุนี้สามารถป้องกันไม่ให้รังสีอินฟราเรดเข้าสู่กระจกหน้าต่างในสภาพอากาศร้อน และสามารถใช้พลังงานแสงและความร้อนในสภาพอากาศเย็นได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
ธาตุหายากมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในหลายสาขา รวมถึงการทหาร พลังงานนิวเคลียร์ เทคโนโลยีขั้นสูง และผลิตภัณฑ์อุปโภคบริโภคในชีวิตประจำวัน ตัวอย่างเช่น แลนทานัมถูกใช้เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพทางยุทธวิธีของโลหะผสมในอาวุธและอุปกรณ์ แกโดลิเนียมและไอโซโทปของมันถูกใช้เป็นตัวดูดซับนิวตรอนในสนามพลังงานนิวเคลียร์ และซีเรียมถูกใช้เป็นสารเติมแต่งแก้วเพื่อดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลตและอินฟราเรด
ซีเรียมเป็นสารเติมแต่งสำหรับแก้ว สามารถดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลตและรังสีอินฟราเรด และปัจจุบันมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในกระจกรถยนต์ ไม่เพียงแต่ป้องกันรังสีอัลตราไวโอเลตเท่านั้น แต่ยังช่วยลดอุณหภูมิภายในรถอีกด้วย จึงช่วยประหยัดไฟฟ้าสำหรับเครื่องปรับอากาศ ตั้งแต่ปี 1997 กระจกรถยนต์ของญี่ปุ่นได้เพิ่มซีเรียมออกไซด์ และใช้ในรถยนต์ในปี 1996
3.คุณสมบัติและปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการดูดกลืนแสงอินฟราเรดของสารประกอบโลหะ
3.1คุณสมบัติและปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการดูดกลืนแสงอินฟราเรดของสารประกอบโลหะส่วนใหญ่มีลักษณะดังต่อไปนี้:
ช่วงอัตราการดูดซับ: อัตราการดูดซับของสารประกอบโลหะต่อรังสีอินฟราเรดจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น ชนิดของโลหะ สถานะพื้นผิว อุณหภูมิ และความยาวคลื่นของรังสีอินฟราเรด โลหะทั่วไป เช่น อลูมิเนียม ทองแดง และเหล็ก มักจะมีอัตราการดูดซับรังสีอินฟราเรดระหว่าง 10% ถึง 50% ที่อุณหภูมิห้อง ตัวอย่างเช่น อัตราการดูดซับของพื้นผิวอลูมิเนียมบริสุทธิ์ต่อรังสีอินฟราเรดที่อุณหภูมิห้องอยู่ที่ประมาณ 12% ในขณะที่อัตราการดูดซับของพื้นผิวทองแดงหยาบอาจสูงถึงประมาณ 40%
3.2คุณสมบัติและปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการดูดกลืนแสงอินฟราเรดโดยสารประกอบโลหะ:
ประเภทของโลหะ: โลหะต่างชนิดกันมีโครงสร้างอะตอมและการจัดเรียงอิเล็กตรอนต่างกัน ส่งผลให้ความสามารถในการดูดซับรังสีอินฟราเรดแตกต่างกัน
สภาพพื้นผิว: ความหยาบ ชั้นออกไซด์ หรือการเคลือบผิวโลหะจะส่งผลต่ออัตราการดูดซับ
อุณหภูมิ: การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิจะเปลี่ยนสถานะอิเล็กทรอนิกส์ภายในโลหะ ซึ่งส่งผลต่อการดูดกลืนรังสีอินฟราเรด
ความยาวคลื่นอินฟราเรด: ความยาวคลื่นที่แตกต่างกันของรังสีอินฟราเรดมีความสามารถในการดูดซับโลหะต่างกัน
การเปลี่ยนแปลงภายใต้เงื่อนไขเฉพาะ: ภายใต้เงื่อนไขเฉพาะบางประการ อัตราการดูดกลืนแสงของรังสีอินฟราเรดโดยโลหะอาจเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ ตัวอย่างเช่น เมื่อพื้นผิวโลหะถูกเคลือบด้วยชั้นวัสดุพิเศษ ความสามารถในการดูดซับรังสีอินฟราเรดก็จะเพิ่มขึ้นได้ นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงสถานะทางอิเล็กทรอนิกส์ของโลหะในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงอาจทำให้อัตราการดูดซับเพิ่มขึ้น
ขอบเขตการใช้งาน: คุณสมบัติการดูดกลืนแสงอินฟราเรดของสารประกอบโลหะมีค่าการใช้งานที่สำคัญในเทคโนโลยีอินฟราเรด การถ่ายภาพความร้อน และสาขาอื่นๆ ตัวอย่างเช่น โดยการควบคุมการเคลือบหรืออุณหภูมิของพื้นผิวโลหะ ทำให้สามารถปรับการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดได้ ช่วยให้นำไปใช้ในการวัดอุณหภูมิ การถ่ายภาพความร้อน ฯลฯ
วิธีการทดลองและภูมิหลังการวิจัย: นักวิจัยกำหนดอัตราการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดโดยโลหะผ่านการตรวจวัดเชิงทดลองและการศึกษาระดับมืออาชีพ ข้อมูลเหล่านี้มีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจคุณสมบัติทางแสงของสารประกอบโลหะและการพัฒนาการใช้งานที่เกี่ยวข้อง
โดยสรุป คุณสมบัติการดูดกลืนแสงอินฟราเรดของสารประกอบโลหะได้รับผลกระทบจากหลายปัจจัย และอาจเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญภายใต้สภาวะที่ต่างกัน คุณสมบัติเหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในหลายสาขา