紅外高發(fā)射率ZnO:Al 粉末的制備

　　基于紅外高發(fā)射率材料的應用, 用固相法制備了Zn1- xAlxO ( x= 0.01, 0.02, 0.05, 0.07) 粉末, 并研究預煅燒和二次煅燒后樣品的紅外發(fā)射率。X 射線衍射和掃描電鏡分析結果表明, 當Al 摻雜濃度達到2% ( 原子比) 時, 出現了尖晶石相ZnAl2O4。預煅燒和二次煅燒后的樣品結晶質量差, 有尖晶石相ZnAl2O4 形成。紅外發(fā)射率分析表明, 1200℃時, 隨著摻雜濃度的增大, 樣品在3~ 5 um, 8~ 14 um, 1~ 22 um 三個波段內的發(fā)射率都降低了。隨著煅燒溫度的升高, 在8~ 14 um 波段內, Zn0.99Al0.01O 發(fā)射率先升高后降低, 在0.984~ 0.987 之間。Zn0.99Al0. 01O 經過預煅燒和二次煅燒后, 在這三個波段內的發(fā)射率都升高了。二次煅燒溫度為1200℃ 時, 得到的8~ 14 um 內的發(fā)射率最高, 為0.989。二次煅燒溫度為1300℃的樣品在三個波段內的整體發(fā)射率大于0.95。

　　紅外高發(fā)射率材料是一類有著良好熱輻射性能的材料。它可以提高儀器設備的紅外熱源的輻出度, 可以涂于建筑物的外墻表面, 起到節(jié)能降耗作用, 可以應用于航天器設備上, 提高設備表面的散熱性。

　　目前研究的高發(fā)射率的粉體基料主要有Fe2O3、MnO2、NiO、Cr2O3、ZrO2、SiO2、Al2O3、ZnO、Co2O3、石墨等混合組成的材料。南京航空航天大學用MnO2,Co2O3, CuO, Fe2O3 等研制的NH9 型耐熱涂料的發(fā)射率在2.5~ 25 um 的波長范圍內的數值保持在0.88~ 0.92。周基煒等用鋁溶膠為黏結劑、高發(fā)射率納米粒子為填料制備的陶瓷涂層在8~ 14um 波段內最高發(fā)射率達到0.96。Dan 等 用Cr2O3, SiC, Fe2O3 等基料制備的微納米涂層最高發(fā)射率達到0.92。大部分研究主要是關于復合材料對發(fā)射率的影響, 得到的發(fā)射率只在單一波段達到較大值或者在全波段發(fā)射率還比較小。關于Al 摻雜的ZnO(ZAO) 的研究主要集中在透明導電薄膜以及紅外低發(fā)射率材料方面, 而高發(fā)射率的ZAO 從未有人研究過。此外, 二次煅燒可以提高材料的發(fā)射率, 但這方面的研究還沒有。

　　本文用簡單的固相法制備了ZAO 粉末, 研究了不同Al 摻雜濃度、煅燒溫度以及預煅燒和二次煅燒對其紅外發(fā)射率的影響, 得到了3~ 5 um, 8~ 14 um 和1~ 22 um 三個波段內的發(fā)射率都高達0.95 的ZAO粉末。

結論

　　用固相法制備了Zn1- x AlxO ( x = 0.01, 0.02,0.05, 0.07) 粉末, 并研究了預煅燒和二次煅燒對其紅外發(fā)射率的影響。

　　(1) ZnO:Al 粉末仍為纖鋅礦結構, 當Al 摻雜濃度達到2%時, 開始出現了尖晶石相ZnAl2O4。這說明用固相法制備時, Al 在ZnO 中的固溶度為2%。

　　(2) 預煅燒和二次煅燒的樣品中有少量的Al 元素析出, 形成尖晶石相ZnAl2O4。預煅燒和二次煅燒不利于Al 摻入ZnO 晶格中。

　　(3) 煅燒溫度為1200 􀀁 時, 隨著摻雜濃度的增大,三個波段內的發(fā)射率都逐漸降低。隨著煅燒溫度的變化( 1000~ 1300 ℃ ) , 在8~ 14 um 波段內, Zn0.99Al0.01O 的發(fā)射率在0.984~ 0.987 之間。所以為了得到高發(fā)射率的ZAO 粉末,Al 的最佳摻雜濃度為1% 。

　　(4) 預煅燒和二次煅燒都有利于提高ZnO 的紅外發(fā)射率。二次煅燒溫度為1200 ℃ 時, Zn0.99Al0.01O粉末在8~ 14 um 內的發(fā)射率最高, 為0.989。二次煅燒溫度為1300 ℃ 時, Zn0.99Al0.01O 粉末在三個波段內的整體發(fā)射率高于0.95。