高溫紅外輻射涂層作為高效節(jié)能新材料，通過(guò)熱輻射方式提高傳熱效率，在火力發(fā)電、鋼鐵、電力、石油化工、冶金和焦化行業(yè)頗具應(yīng)用前景。近年來(lái)，高熵材料尤其是高熵氧化物具有可調(diào)控的主元組分和獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，使其在功能材料研究與應(yīng)用領(lǐng)域備受關(guān)注。然而，鮮有關(guān)于高熵材料在高溫紅外輻射方面的研究報(bào)道。
 

　　中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所清潔能源化學(xué)與材料實(shí)驗(yàn)室低碳能源材料組高祥虎研究員團(tuán)隊(duì)在新型高溫紅外輻射材料的設(shè)計(jì)與制備方面開展了系統(tǒng)研究。針對(duì)傳統(tǒng)尖晶石氧化物在短波長(zhǎng)紅外區(qū)域發(fā)射率低、熱穩(wěn)定性不佳的問(wèn)題，研究提出了利用高熵概念進(jìn)行材料性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。科研人員通過(guò)簡(jiǎn)便、低成本的固相合成反應(yīng)，制備出(CuMnFeCr)3O4尖晶石型高熵氧化物紅外輻射材料，重點(diǎn)研究了高熵多主元設(shè)計(jì)對(duì)材料紅外輻射性能和高溫?zé)岱€(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，多主元設(shè)計(jì)可有效提高0.78-2.5μm和2.5-16μm波段的紅外發(fā)射率，且高熵效應(yīng)利于長(zhǎng)效的化學(xué)熱穩(wěn)定性。相關(guān)成果發(fā)表在《ACS應(yīng)用材料與界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)上。
 

　　近日，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，進(jìn)一步闡明了高熵氧化物的微觀結(jié)構(gòu)、元素組分、電子分布與紅外輻射性能的構(gòu)效關(guān)系，揭示了高熵工程對(duì)材料紅外輻射性能提升的內(nèi)在機(jī)制。結(jié)果表明，高熵策略產(chǎn)生的軌道雜化可有效增強(qiáng)電子躍遷幾率，通過(guò)變價(jià)金屬元素引入大量氧空位，從而減小材料的帶隙(圖1)。同時(shí)，晶格畸變效應(yīng)降低了晶格振動(dòng)的對(duì)稱性。因此，(MnCrFeCoCu)3O4高熵尖晶石氧化物具有優(yōu)異的近黑體輻射能力。經(jīng)1300°C退火熱處理100h后，材料仍保持單相尖晶石結(jié)構(gòu)，紅外輻射衰減率僅為2.1%(圖2)。
 

　　此外，研究人員利用冷噴涂技術(shù)將高熵氧化物紅外輻射材料沉積在不銹鋼基底。該紅外輻射涂層具有高的輻射熱效率和顯著的熱穩(wěn)定性，在0.78-16μm波段紅外發(fā)射率可達(dá)0.943。這種新型高熵紅外輻射材料在高溫工業(yè)熱輻射領(lǐng)域頗具應(yīng)用潛力。
 

　　相關(guān)研究成果以High-Entropy Engineering for Broadband Infrared Radiation為題，發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)上。研究工作得到中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(A類)-煤炭清潔燃燒與低碳利用專項(xiàng)、中國(guó)科學(xué)院潔凈能源創(chuàng)新研究院-榆林學(xué)院聯(lián)合基金、蘭州化物所“十四五”規(guī)劃重大突破項(xiàng)目等的支持。
 

圖1.?高熵氧化物紅外輻射材料寬波段高發(fā)射率機(jī)理研究
 

圖2.?高熵氧化物紅外輻射材料寬波段發(fā)射率及高溫?zé)岱€(wěn)定性評(píng)估
 

圖3.?高熵氧化物紅外輻射材料輻射傳熱性能驗(yàn)證