張譽(yù)嚴(yán) 黃麗娜 韋華健 鄧新新 黎清寧

（桂林電子科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

電子器件的發(fā)熱量隨著集成度的提高越來(lái)越高，嚴(yán)重影響電器壽命；在航空航天工業(yè)中，由于外部溫度升高導(dǎo)致航天器過(guò)熱，會(huì)影響航天器的正常安全運(yùn)行；建筑在太陽(yáng)照射下溫度較高，需要利用空調(diào)進(jìn)行降溫制冷，消耗大量的電力能源。因此，在電子、建筑、航空航天等領(lǐng)域，都會(huì)面臨如何快速高效進(jìn)行散熱的問(wèn)題。目前常用的散熱方式都以熱傳導(dǎo)為主，但在空氣等應(yīng)用場(chǎng)景中存在熱量聚集的局限性，而輻射散熱材料具有很高的紅外發(fā)射率可以實(shí)現(xiàn)散熱功能，本文簡(jiǎn)要介紹了紅外輻射散熱涂料的散熱原理，綜述了材料研究至今的一些研究成果，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行討論。

1 紅外輻射散熱的機(jī)理

紅外輻射，又稱熱輻射，紅外輻射可由分子和原子的震動(dòng)以及其內(nèi)部的電子躍遷活動(dòng)引起。只要物體的溫度高于絕對(duì)零度，就會(huì)不斷的發(fā)射和吸收熱輻射，始終處于發(fā)射和吸收的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，所以物體之間發(fā)生的輻射傳熱是由于物體發(fā)射和吸收的熱量不等，即當(dāng)物體發(fā)射的熱量多過(guò)吸收的熱量，物體就會(huì)產(chǎn)生輻射散熱。在這個(gè)過(guò)程中，短波和長(zhǎng)波的輻射分別與不同的因素有關(guān)聯(lián)，如電子躍遷對(duì)短波輻射有影響和晶格振動(dòng)特性對(duì)長(zhǎng)波輻射有影響。紅外輻射可分為3個(gè)區(qū)域，波長(zhǎng)范圍在 0.75～2.5μm 為近紅外區(qū)，2.5～25μm 為 中紅外區(qū)，25～1000μm為遠(yuǎn)紅外區(qū)。近紅外區(qū)對(duì)應(yīng)電子能級(jí)之間的躍遷和分子振動(dòng)泛頻區(qū)的振動(dòng)光譜，中紅外區(qū)對(duì)應(yīng)分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)和振動(dòng)能級(jí)之間的躍遷，遠(yuǎn)紅區(qū)對(duì)應(yīng)分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間的躍遷。在固體材料中將晶格振動(dòng)頻率調(diào)整、晶格畸變和化學(xué)摻雜進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，可以提高晶體的紅外吸收性能，從而改善材料紅外輻射性能。

2 紅外輻射散熱材料的研究現(xiàn)狀

2.1 紅外輻射散熱陶瓷材料的研究現(xiàn)狀

由于陶瓷材料具有高輻射率、高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐高溫和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是重要的紅外輻射散熱材料，國(guó)內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了大量研究。楊金萍等[1]將合成好的堇青石和尖晶石型鐵氧體混合制備紅外輻射材料，當(dāng)尖晶石型鐵氧體含量超過(guò)40wt%時(shí)，8～14μm波段的發(fā)射率可達(dá) 0.955，1～22μm全波段法相發(fā)射率在達(dá)到 0.857。

藍(lán)立財(cái)?shù)萚2]將 Ni2+和 Cu2+離子加入到 Mn1.5Cr1.5O4尖晶石陶瓷材料中，可以提高材料的輻射性能。當(dāng)Ni2+和Cu2+的摻雜含量為30%時(shí)，材料紅外輻射性能達(dá)到最大值，3～5μm 波段的紅外發(fā)射分別為 0.737和 0.929。

武曉燕等[3]將Ce4+加入到ZnO-MgO-Al2O3-SiO2體系尖晶石材料，改善了其輻射性能。在CeO2摻雜量為0.08wt%，燒結(jié)溫度為1200℃的情況下制得紅外輻射性能最好的樣品，5～15μm波段輻射率為 0.91，12～15μm波段輻射率為 0.94。

張霞等[4]利用了固相燒結(jié)工藝，將Tm3+引入后與 Mg2+發(fā)生固溶置換，在一定條件下制得Mg1.84Tm0.16Al4Si5O18的堇青石材料，其在2.5～25μm波段的紅外輻射率為 0.91。

Wang等[5]采用熔融-晶化工藝的方法，以固體廢棄物粉煤灰、鈦渣及分析純MgCO3為原料制備陶瓷，結(jié)果表明，粉煤灰中的Fe3+高溫下會(huì)被還原為 Fe2+，最后強(qiáng)化了堇青石基玻璃陶瓷在8～14μm波段的紅外發(fā)射率，發(fā)射率可大于 0.9。

2.2 紅外輻射散熱涂料的研究現(xiàn)狀

紅外輻射涂料由輻射基料和粘結(jié)劑組成，能夠進(jìn)行噴涂和刷涂，應(yīng)用范圍較廣。高建中[6]用納米二氧化硅、2-丙烯基-聚苯胺納米纖維和環(huán)氧樹(shù)脂等溶劑制成第一層涂層，用炭黑和環(huán)氧樹(shù)脂制成第二層涂層，兩個(gè)涂層使用在需散熱器件上。在LED散熱器件表面的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，在 89℃條件下能降溫 9℃。

鄧玲玲[7]利用了 SiC，SiO2，TiO2作為原料，以一定的比例混合并在一定的條件下制成了SiC-SiO2-TiO2復(fù)合材料，并利用儀器分析時(shí)發(fā)現(xiàn)在8～14μm波段時(shí)，其發(fā)射率最高達(dá)到了0.942。材料組分因素會(huì)影響復(fù)合材料的發(fā)射率，當(dāng)SiC，SiO2，TiO2三種原料的質(zhì)量比為2:2:6時(shí)發(fā)射率最大。

聶鈺節(jié)等[8]以水性有機(jī)硅樹(shù)脂為基料，采用SiC為填料制備了水性散熱降溫涂料。當(dāng)SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，粒徑為60nm時(shí)，涂層降溫11.5℃，能有效緩解散熱問(wèn)題。

汪國(guó)華等[9]用納米炭黑、水性樹(shù)脂作為填料再使用添加劑和溶劑，得到了納米炭黑散熱涂料，在80℃條件下最大可以降溫18℃，具有良好的散熱效果。

3 紅外輻射散熱材料的應(yīng)用

3.1 電子電器行業(yè)

由于智能手機(jī)、筆記本電腦、智能手表、電視機(jī)電子器件的集成度和使用要求越來(lái)越高，器件的發(fā)熱問(wèn)題越顯嚴(yán)重。紅外輻射涂料具有優(yōu)良的散熱效果，已成功運(yùn)用在的電子器件散熱方面[6-9]，對(duì)于解決電子器件發(fā)熱嚴(yán)重的問(wèn)題有著重要的作用和意義。

3.2 航空航天領(lǐng)域

當(dāng)航天飛行器在飛行時(shí)由于空氣摩擦而產(chǎn)生大量的熱，這些熱可使航天飛行器的表面溫度達(dá)到1000℃甚至更高，極可能導(dǎo)致航天飛行器發(fā)生事故。美國(guó)國(guó)家宇航局研究發(fā)現(xiàn)，提高航天飛行器表面的輻射發(fā)射率，能有效的降低機(jī)身表面的溫度，發(fā)射率只需要提高到0.55，就可以達(dá)到降溫300℃的效果。具有良好耐磨性和強(qiáng)度的紅外輻射散熱材料涂料已成功運(yùn)用在航天飛行器等領(lǐng)域中上。

3.3 節(jié)能建筑

建筑物在太陽(yáng)光照作用下溫度急劇升高，利用空調(diào)制冷會(huì)導(dǎo)致大量的能源消耗。 在太陽(yáng)能量分布中，近紅外波段占總能量的51%，因此通過(guò)紅外輻射散熱材料能有效降低建筑物溫度，能起到節(jié)能降耗的作用，帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益[10]。

4 結(jié)語(yǔ)

紅外輻射散熱材料具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐氧化性等優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于電子電器、節(jié)能建筑、航空航天等領(lǐng)域中。目前在紅外輻射散熱涂料的基料研究中取得了較多成果，但還存在粘合劑的強(qiáng)度和使用壽命等問(wèn)題，影響著涂料使用的領(lǐng)域，如何合理匹配粘合劑和基料，提高涂料的強(qiáng)度、抗氧化性、抗腐蝕性和絕緣性，是紅外輻射散熱涂料主要研究方向之一。此外，為了更好的提高紅外輻射散熱材料的綜合性能，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，還應(yīng)從納米化，復(fù)合化及功能多樣化等方面加強(qiáng)研究，形成完整的紅外輻射散熱材料研究體系。

［1］楊金萍，王春梅，魏恒勇，等.高輻射率紅外陶瓷材料的制備及性能研究[J].

［2］藍(lán)立財(cái)，趙韋人，鐘劍明，等.Cu2+摻雜 Mn1.5Cr1.5O4材料的結(jié)構(gòu)及其紅外輻射性能[J].功能材料，2014，45(22):22139-22142.

［3］武曉燕，于宏兵，耿麗娟.Ce4+對(duì) ZnO-MgO-Al2O3-SiO2體系紅外輻射性能的影響[J].人工晶體學(xué)報(bào)，2012，41(6):1639-1642.

［4］張霞，焦寶祥，王威.Tm3+摻雜堇青石的制備及紅外輻射性能研究[J].人工晶體學(xué)報(bào)，2010，39(5):1329-1331.

［5］Wang S M，Liang K M.High infrared radiance glass-ceramic obtained from fly ash and titanium slag[J].Chemosphere，2007，69:1798-1801.

［6］高建中.紅外線輻射復(fù)合散熱涂料及涂料的制備和噴涂方法[P].中國(guó):CN101659829A，2010-03-03.

［7］鄧玲玲.新型紅外輻射材料的制備及其在LED中的應(yīng)用[D].廣州:廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文，2013.

［8］聶鈺節(jié)，金鹿江，杭建忠，等.水性納米復(fù)合散熱降溫涂料的制備及其性能研究[J].功能材料，2013，5(44):736-743.

［9］汪國(guó)華，王日精，王小紅，等.一種納米炭黑散熱涂料及其制備方法[P].中國(guó):CN102250546A，2011-11-23.

［10］程明，吉靜.近紅外區(qū)具有高反射率的建筑節(jié)能涂料的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2008(01):12-15.