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红外辐射散热材料的研究及应用现状 | 题目 张誉严，黄丽娜，韦华健，邓新新，黎清宁 | 作者 桂林电子科技大学 | 单位
摘要：本文简要概述了红外辐射的原理，综述了国内外辐射散热材料的研究现状，及其在电子电器、节能建筑、航空航天等领域中应用，并展望其未来的研究方向。
关键词：红外辐射；散热材料；电子器件；应用
00 引言
电子器件的发热量随着集成度的提高越来越高，严重影响电器寿命；在航空航天工业中，由于外部温度升高导致航天器过热，会影响航天器的正常安全运行；建筑在太阳照射下温度较高，需要利用空调进行降温制冷，消耗大量的电力能源。因此，在电子、建筑、航空航天等领域，都会面临如何快速高效进行散热的问题。目前常用的散热方式都以热传导为主，但在空气等应用场景中存在热量聚集的局限性，而辐射散热材料具有很高的红外发射率可以实现散热功能，本文简要介绍了红外辐射散热涂料的散热原理，综述了材料研究至今的一些研究成果，并对其未来的发展方向进行讨论。
01 红外辐射散热的机理
红外辐射，又称热辐射，红外辐射可由分子和原子的震动以及其内部的电子跃迁活动引起。只要物体的温度高于绝对零度，就会不断的发射和吸收热辐射，始终处于发射和吸收的动态过程中，所以物体之间发生的辐射传热是由于物体发射和吸收的热量不等，即当物体发射的热量多过吸收的热量，物体就会产生辐射散热。在这个过程中，短波和长波的辐射分别与不同的因素有关联，如电子跃迁对短波辐射有影响和晶格振动特性对长波辐射有影响。红外辐射可分为3个区域，波长范围在0.75～2.5μm 为近红外区，2.5～25μm 为中红外区，25～1000μm 为远红外区。近红外区对应电子能级之间的跃迁和分子振动泛频区的振动光谱，中红外区对应分子转动能级和振动能级之间的跃迁，远红区对应分子转动能级之间的跃迁。在固体材料中将晶格振动频率调整、晶格畸变和化学掺杂进行适当的调整，可以提高晶体的红外吸收性能，从而改善材料红外辐射性能。
02 红外辐射散热材料的研究现状
2.1 红外辐射散热陶瓷材料的研究现状
由于陶瓷材料具有高辐射率、高强度、耐腐蚀、耐高温和使用寿命长等优点，是重要的红外辐射散热材料，国内外对其进行了大量研究。杨金萍等将合成好的堇青石和尖晶石型铁氧体混合制备红外辐射材料，当尖晶石型铁氧体含量超过 40wt% 时，8 ~14μm 波段的发射率可达 0.955，1~22μm 全波段法相发射率在达到0.857。
蓝立财等将 Ni2+和 Cu2+离子加入到 Mn1.5Cr1.5O4 尖晶石陶瓷材料中，可以提高材料的辐射性能。当 Ni2+和 Cu2+的掺杂含量为 30%时，材料红外辐射性能达到最大值，3~5μm 波段的红外发射分别为 0.737 和 0.929。
武晓燕等将 Ce4+ 加入到 ZnO-MgO-Al2O3-SiO2 体系尖晶石材料，改善了其辐射性能。在 CeO2 掺杂量为0.08wt%，烧结温度为 1200℃ 的情况下制得红外辐射性能最好的样品，5~15μm 波段辐射率为 0.91，12~15μm 波段辐射率为 0.94。
张霞等利用了固相烧结工艺，将Tm3+引入后与 Mg2+发生固溶置换，在一定条件下制得 Mg1.84Tm0.16Al4Si5O18 的堇青石材料，其在 2.5~25μm 波段的红外辐射率为0.91。
Wang 等采用熔融-晶化工艺的方法，以固体废弃物粉煤灰、钛渣及分析纯 MgCO3 为原料制备陶瓷，结果表明，粉煤灰中的 Fe3+高温下会被还原为 Fe2+，最后强化了堇青石基玻璃陶瓷在 8~14μm 波段的红外发射率，发射率可大于0.9。
2.2 红外辐射散热涂料的研究现状
红外辐射涂料由辐射基料和粘结剂组成，能够进行喷涂和刷涂，应用范围较广。高建中纳米二氧化硅、2-丙烯基-聚苯胺纳米纤维和环氧树脂等溶剂制成第一层涂层，用炭黑和环氧树脂制成第二层涂层，两个涂层使用在需散热器件上。在LED 散热器件表面的实验测试中，在89℃ 条件下能降温 9℃。
邓玲玲利用了 SiC，SiO2，TiO2 作为原料，以一定的比例混合并在一定的条件下制成了 SiC-SiO2-TiO2复合材料，并利用仪器分析时发现在 8~14μm 波段时，其发射率最高达到了0.942。材料组分因素会影响复合材料的发射率，当 SiC，SiO2，TiO2 三种原料的质量比为 2:2:6 时发射率最大。
聂钰节等以水性有机硅树脂为基料，采用 SiC为填料制备了水性散热降温涂料。当 SiC质量分数为30%，粒径为 60nm时，涂层降温 11.5℃，能有效缓解散热问题。
汪国华等用纳米炭黑、水性树脂作为填料再使用添加剂和溶剂，得到了纳米炭黑散热涂料，在80℃条件下最大可以降温 18℃，具有良好的散热效果。
03 红外辐射散热材料的应用
3.1 电子电器行业
由于智能手机、笔记本电脑、智能手表、电视机电子器件的集成度和使用要求越来越高，器件的发热问题越显严重。红外辐射涂料具有优良的散热效果，已成功运用在的电子器件散热方面，对于解决电子器件发热严重的问题有着重要的作用和意义。
3.2 航空航天领域
当航天飞行器在飞行时由于空气摩擦而产生大量的热，这些热可使航天飞行器的表面温度达到1000℃甚至更高，极可能导致航天飞行器发生事故。美国国家宇航局研究发现，提高航天飞行器表面的辐射发射率，能有效的降低机身表面的温度，发射率只需要提高到 0.55，就可以达到降温 300℃的效果。具有良好耐磨性和强度的红外辐射散热材料涂料已成功运用在航天飞行器等领域中上。
3.3 节能建筑
建筑物在太阳光照作用下温度急剧升高，利用空调制冷会导致大量的能源消耗。在太阳能量分布中，近红外波段占总能量的 51%，因此通过红外辐射散热材料能有效降低建筑物温度，能起到节能降耗的作用，带来可观的经济效益。
04 结语
红外辐射散热材料具有高强度、耐腐蚀、耐氧化性等优点，已成功应用于电子电器、节能建筑、航空航天等领域中。目前在红外辐射散热涂料的基料研究中取得了较多成果，但还存在粘合剂的强度和使用寿命等问题，影响着涂料使用的领域，如何合理匹配粘合剂和基料，提高涂料的强度、抗氧化性、抗腐蚀性和绝缘性，是红外辐射散热涂料主要研究方向之一。此外，为了更好的提高红外辐射散热材料的综合性能，拓宽其应用领域，还应从纳米化，复合化及功能多样化等方面加强研究，形成完整的红外辐射散热材料研究体系。
参考文献 略
原文信息
DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.02.021
