CN110483046B - 一种高发射率红外节能材料以及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于红外节能技术领域，涉及一种高发射率红外节能材料及其制备方法。涉及的一种高发射率红外节能材料以钙钛矿结构的铝酸镧为主相，高发射率红外节能材料的原料具有用以制备铝酸镧主相的氧化镧、氧化铝、掺杂剂Ⅰ和掺杂剂Ⅱ；掺杂剂Ⅰ为氧化钙，掺杂剂Ⅱ为氧化铬；在单位摩尔镧位掺杂0.1~0.2摩尔的钙离子，在单位摩尔铝位掺杂0.1~0.2摩尔的铬离子；高发射率红外节能材料的原料还具有氧化锆；氧化锆与氧化钙发生固相反应生成第二主相锆酸钙，并通过固相反应来抑制或较少低熔相（CaLa）Al3O7的生成，与氧化钙中的钙离子发生固相反应的锆离子由氧化锆提供。本发明具有发射率高、耐高温、稳定性高、兼容性高的特点。

Description

一种高发射率红外节能材料以及制备方法
技术领域
本发明属于红外节能技术领域，更具体的说，涉及一种高发射率材料及其制备方法。
背景技术
近年来，我国能源消耗快速增长使得节能形势非常严峻，以热工炉窑为代表的、用于高温过程的工业能耗约占全国能耗的25％～40％，同时对统计数据的分析表明，目前我国热工炉窑装备的平均热效率不足40％，比工业发达国家低10％～20％。因此及时布局及研发针对热工装备的节能技术极为必要，且意义重大。在我国，铝硅系耐火材料(Al2O3/SiO2，如：氧化铝纤维砖、莫来石纤维模块、轻质粘土砖等)是应用最量大面广的热工炉窑的炉衬，广泛应用于陶瓷窑炉等典型高温装备。但遗憾的是，铝硅系耐火材料的发射率ε一般仅为0.5～0.6，针对这一现实问题，已形成共识的应对措施是：在铝硅系耐火材料的表面涂覆一层ε≥0.9的高发射率涂层从而实现炉窑的辐射节能。
迄今为止，在红外辐射节能陶瓷涂层的研发和应用方面，美国Wessex 公司是国际上公认的业绩最好的企业，但由于其产品以SiB6为主相，导致价格长期居高不下。此外，英国的Encoat公司的涂料产品在天然气炉和燃油炉的试用中，获得了5%的节能效率，但由于以SiC粉体为辐射基料，不适用于高温氧化气氛的热工炉窑。发明专利“一种纳米保温涂料”（专利申请号：201210554146.1）主要以纳米磷酸铝、纳米氧化锰、纳米氧化锆、纳米碳化钛、纳米珍珠岩、纳米硅酸钙粉为原料，制备的涂料只能用在常温或中低温环境，用在高温环境这些原料容易被烧结、晶体长大失去纳米材料的性质。发明专利“一种红外节能涂料及应用”（专利申请号：201510119884.7）是以钙钛矿结构的铝酸镧为主相，在近红外的发射率可达0.9之上，但是研究发现随着镧位钙离子含量的增加（单位摩尔镧位掺杂钙离子≥0.2），体系内会有低熔相（CaLa）Al3O7生成，这就影响其在高温下的稳定性，限制了其在高温工况中的应用。
因此，如果能实现高发射率材料在高温下具有稳定性，在服役过程中不与耐火材料基体发生固相反应，且具有高红外辐射性能，对提高工业窑炉的节能有重要意义。
发明内容
本发明的目的主要是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种高发射率红外节能材料以及制备方法。
本发明目的是通过以下技术方案实现的：
根据半导体能带理论，在近红外波段内起主导作用的吸收机制是光一电跃迁吸收;LaAlO3是一种钙钛矿型半导体，具有典型的间接跃迁型能带结构，与热加工设备中常用的耐火材料（铝硅系）在化学成分和热膨胀系数方面具有高度的兼容性。对于间接跃迁型半导体，其吸收的绝大部分光子能量将转化为热能，最终以红外辐射的形式进行释放；由此可见，以LaAlO3为基质，通过掺杂向基质带隙中引入对应于近红外波段的杂质能级，可以增强其在近红外的发射率，本发明以此为基质提供一种高发射率红外节能材料以及制备方法。
一种高发射率红外节能材料，高发射率红外节能材料以钙钛矿结构的铝酸镧为主相，所述高发射率红外节能材料的原料具有用以制备铝酸镧主相的氧化镧、氧化铝、掺杂剂Ⅰ和掺杂剂Ⅱ；其特征在于：所述的掺杂剂Ⅰ为氧化钙，所述的掺杂剂Ⅱ为氧化铬；在单位摩尔镧位掺杂0.1~0.2摩尔的钙离子，在单位摩尔铝位掺杂0.1~0.2摩尔的铬离子；所述的钙离子由所述的氧化钙提供；所述的铬离子由所述的氧化铬提供；所述的高发射率红外节能材料的原料还具有氧化锆；所述的氧化锆与所述的氧化钙发生固相反应生成第二主相锆酸钙，并通过固相反应来抑制或较少低熔相（CaLa）Al3O7的生成，与氧化钙中的钙离子发生固相反应的锆离子由所述的氧化锆提供；单位摩尔镧位锆离子的掺杂量为0.02~0.2摩尔，且单位摩尔镧位锆离子的掺杂量小于单位摩尔镧位钙离子的掺杂量。
制备权利要求1所述的一种高发射率红外节能材料的方法，制备方法包括以下步骤：
（1）配料：将高发射率材料的原料进行配料，所述高发射率材料的原料由氧化镧、氧化铝、氧化锆、掺杂剂Ⅰ和掺杂剂Ⅱ制备而成，所述的掺杂剂Ⅰ为氧化钙，所述的掺杂剂Ⅱ为氧化铬；
（2）煅烧：将步骤（1）配料后的原料在1100~1300℃的空气气氛中煅烧60~180 min，然后将煅烧后的粉体研磨压样在1500~1600℃的空气气氛中煅烧60~360 min，最终制得具有高发射率的铝酸镧/锆酸钙复相陶瓷材料。
所述的高发射率红外节能材料的发射率为0.90~0.95。
本发明提供的一种具有高发射率的红外节能材料；本发明制备高发射率红外节能材料时，向体系内引入适量的氧化锆，一方面氧化锆和氧化钙发生固相反应可以优化Ca2+-Cr3+掺杂的铝酸镧的比例，进一步降低铝酸镧基体的禁带宽度，电子更容易从价带跃迁到导带，导致带隙中自由载流子浓度增大，自由载流子吸收增强，使得铝酸镧基体的红外发射率进一步增强；另一方面引入适量的氧化锆，体系内氧化钙和氧化锆发生固相反应生成可以形成锆酸钙（熔点2345 ℃，稳定好），使得体系内减少或不产生低熔相（CaLa）Al3O7，增强其高温稳定性。
本发明高发射率红外节能材料的有益效果是：
高发射率：本发明所制备的高发射率红外节能材料发射率最高可达0.95，高于现有高温氧化物体系红外节能材料的发射率。
耐高温：本发明所制备的高发射率红外节能材料属于高温氧化物体系，最高使用温度可达1800 ℃。
高稳定性：铝酸镧和锆酸钙在高温下具有高的结构稳定性。
兼容性高：与热加工设备中常用的耐火材料（铝硅系）在化学成分和热膨胀系数方面具有高度的兼容性。
附图说明
图1为高发射率红外节能材料的主晶相为铝酸镧，次晶相为锆酸钙的示意图。
图2为高发射率红外节能材料在近红外（0.76~2.5 μm）波段的示意图。
具体实施方式
结合附图和具体实施例对本发明加以说明：
实施例1：把氧化镧、氧化钙、氧化铝、氧化铬和氧化锆按照摩尔比La:Ca:Al:Cr:Zr=0.84:0.2:0.8:0.2:0.04进行配料并球磨，干燥后在1200 ℃空气气氛中预烧120 min，然后将预烧后的粉体研磨压样在1600 ℃的空气气氛中煅烧120 min，最终制备得到高射率红外节能材料，该高发射率红外节能材料的发射率为0.95。
从图1可以看出：本实施案例中高发射率红外节能材料的主晶相为铝酸镧，次晶相为锆酸钙，未发现其他杂质相，说明大部分钙、铬离子已固溶进去铝酸镧晶格，形成了钙、铬离子共掺杂的铝酸镧基陶瓷材料。
从图2可以看出：本实施案例中高发射率红外节能材料在近红外（0.76~2.5 μm）波段的发射率达0.95，这是目前已发现的最高发射率氧化物材料之一。
实施例2：把氧化镧、氧化钙、氧化铝、氧化铬和氧化锆按照摩尔比La:Ca:Al:Cr:Zr=0.82:0.2:0.8:0.2:0.02进行配料并球磨，干燥后在1200 ℃空气气氛中预烧120 min，然后将预烧后的粉体研磨压样在1600 ℃的空气气氛中煅烧120 min，最终制备得到高射率红外节能材料，该高发射率红外节能材料的发射率为0.93。
实施例3：把氧化镧、氧化钙、氧化铝、氧化铬和氧化锆按照摩尔比La:Ca:Al:Cr:Zr=0.83:0.2:0.8:0.1:0.03进行配料并球磨，干燥后在1300 ℃空气气氛中预烧60 min，然后将预烧后的粉体研磨压样在1500 ℃的空气气氛中煅烧360 min，最终制备得到高射率红外节能材料，该高发射率红外节能材料的发射率为0.91。
实施例4：把氧化镧、氧化钙、氧化铝、氧化铬和氧化锆按照摩尔比La:Ca:Al:Cr:Zr=0.88:0.2:0.8:0.2:0.08进行配料并球磨，干燥后在1200 ℃空气气氛中预烧60 min，然后将预烧后的粉体研磨压样在1600 ℃的空气气氛中煅烧120 min，最终制备得到高射率红外节能材料，该高发射率红外节能材料的发射率为0.94。
实施例5：把氧化镧、氧化钙、氧化铝、氧化铬和氧化锆按照摩尔比La:Ca:Al:Cr:Zr=0.85:0.2:0.8:0.2:0.05进行配料并球磨，干燥后在1250 ℃空气气氛中预烧60 min，然后将预烧后的粉体研磨压样在1550 ℃的空气气氛中煅烧300 min，最终制备得到高射率红外节能材料，该高发射率红外节能材料的发射率为0.93。
实施例6：把氧化镧、氧化钙、氧化铝、氧化铬和氧化锆按照摩尔比La:Ca:Al:Cr:Zr=0.86:0.2:0.8:0.2:0.06进行配料并球磨，干燥后在1200 ℃空气气氛中预烧120 min，然后将预烧后的粉体研磨压样在1550 ℃的空气气氛中煅烧240 min，最终制备得到高射率红外节能材料，该高发射率红外节能材料的发射率为0.92。
实施例7：把氧化镧、氧化钙、氧化铝、氧化铬和氧化锆按照摩尔比La:Ca:Al:Cr:Zr=0.94:0.2:0.8:0.2:0.14进行配料并球磨，干燥后在1200 ℃空气气氛中预烧120 min，然后将预烧后的粉体研磨压样在1600 ℃的空气气氛中煅烧120 min，最终制备得到高射率红外节能材料，该高发射率红外节能材料的发射率为0.93。
实施例8：把氧化镧、氧化钙、氧化铝、氧化铬和氧化锆按照摩尔比La:Ca:Al:Cr:Zr=0.87:0.2:0.85:0.15:0.07进行配料并球磨，干燥后在1300 ℃空气气氛中预烧60 min，然后将预烧后的粉体研磨压样在1550 ℃的空气气氛中煅烧180 min，最终制备得到高射率红外节能材料，该高发射率红外节能材料的发射率为0.92。
实施例9：把氧化镧、氧化钙、氧化铝、氧化铬和氧化锆按照摩尔比La:Ca:Al:Cr:Zr=0.89:0.2:0.8:0.2:0.09进行配料并球磨，干燥后在1300 ℃空气气氛中预烧60 min，然后将预烧后的粉体研磨压样在1550 ℃的空气气氛中煅烧180 min，最终制备得到高射率红外节能材料，该高发射率红外节能材料的发射率为0.92。
实施例10：把氧化镧、氧化钙、氧化铝、氧化铬和氧化锆按照摩尔比La:Ca:Al:Cr:Zr=1:0.2:0.8:0.2:0.2进行配料并球磨，干燥后在1200 ℃空气气氛中预烧120 min，然后将预烧后的粉体研磨压样在1600 ℃的空气气氛中煅烧120 min，最终制备得到高射率红外节能材料，该高发射率红外节能材料的发射率为0.90。
实施例11：把氧化镧、氧化钙、氧化铝、氧化铬和氧化锆按照摩尔比La:Ca:Al:Cr:Zr=0.9:0.2:0.8:0.2:0.1进行配料并球磨，干燥后在1300 ℃空气气氛中预烧120 min，然后将预烧后的粉体研磨压样在1600 ℃的空气气氛中煅烧60 min，最终制备得到高射率红外节能料，该高发射率红外节能材料的发射率为0.91。

Claims (3)

1.一种高发射率红外节能材料，高发射率红外节能材料以钙钛矿结构的铝酸镧为主相，所述高发射率红外节能材料的原料具有用以制备铝酸镧主相的氧化镧、氧化铝、掺杂剂Ⅰ和掺杂剂Ⅱ；其特征在于：所述的掺杂剂Ⅰ为氧化钙，所述的掺杂剂Ⅱ为氧化铬；在单位摩尔镧位掺杂0.1~0.2摩尔的钙离子，在单位摩尔铝位掺杂0.1~0.2摩尔的铬离子；所述的钙离子由所述的氧化钙提供；所述的铬离子由所述的氧化铬提供；所述的高发射率红外节能材料的原料还具有氧化锆；所述的氧化锆与所述的氧化钙发生固相反应生成第二主相锆酸钙，并通过固相反应来抑制或减少低熔相（CaLa）Al3O7的生成，与氧化钙中的钙离子发生固相反应的锆离子由所述的氧化锆提供；单位摩尔镧位锆离子的掺杂量为0.02~0.2摩尔，且单位摩尔镧位锆离子的掺杂量小于单位摩尔镧位钙离子的掺杂量。
2.根据权利要求1所述的一种高发射率红外节能材料，其特征在于，所述的高发射率红外节能材料的发射率为0.90~0.95。
3.制备权利要求1-2任一所述的一种高发射率红外节能材料的方法，其特征在于：制备方法包括以下步骤：
（1）配料：将高发射率材料的原料进行配料，所述高发射率材料的原料由氧化镧、氧化铝、氧化锆、掺杂剂Ⅰ和掺杂剂Ⅱ制备而成，所述的掺杂剂Ⅰ为氧化钙，所述的掺杂剂Ⅱ为氧化铬；
（2）煅烧：将步骤（1）配料后的原料在1100~1300℃的空气气氛中煅烧60~180 min，然后将煅烧后的粉体研磨压样在1500~1600℃的空气气氛中煅烧60~360 min，最终制得具有高发射率的铝酸镧/锆酸钙复相陶瓷材料。
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