掺杂Mn的MgMnxFe2-xO4系红外陶瓷材料的制备与表征(2)
热辐射理论需要确立普适的函数的表达式，而普朗克则大胆提出了与量子力学相关的量子化交换的新理论。从此，人们对红外研究的兴趣越来越大，红外光学蓬勃发展。红外辐射材料在军事、取暖、施工建设、环境保护、医疗器械、航空航天等诸多领域应用非常广泛[2]。本文通过固相合成方法制备掺杂Mn的MgMnxFe2-xO4系红外陶瓷材料，通过XRD和SEM表征样品的晶体结构、表面形貌特征与晶粒尺寸，对比材料样品的红外发射性能，由此探寻过渡族金属（以Mn进行掺杂）掺杂的尖晶石材料（MgFeO4）的红外辐射性能，从而进行进一步的优化和改进，以期获得最佳性能配比。
1.1 红外辐射陶瓷
红外辐射陶瓷是指在一定条件下向周围环境发射特定波长红外电磁波的陶瓷材料。根据黑体辐射理论，不同温度低黑体发射的光谱波段范围有明显的差异，高温下黑体发射的红外光谱的波长短，低温下发射的红外光谱的波长长。但是其他物体会因为组成和结构的复杂性而出现复杂得多的发射光谱，陶瓷材料内部的分子大多是若干原子聚集而成，根据量子理论，容易增强发生振动而改变偶极矩，破坏对称性，因此增强辐射。因此多数陶瓷材料大都具有较高的辐射率，研究人员和相关工程人员会根据实际需要来选用不同成分和不同配比在不同实验条件下遴选最优的原料和制备条件[3]。
从化学成分上看，典型的红外辐射材料有以下大体系[4]：
（1）氧化铁系以α－Fe2O3或γ－Fe2O3等为主要组分的辐射材料；
（2）SiC 系以SiC为主要组分的辐射材料；
（3）锆英砂系以锆英砂添加其他金属氧化物为主的辐射材料；
（4）沸石分子筛系；
（5）镍钴系以Ni2O3和Co2O3为主的辐射材料；
（6）锆钛系由 ZrO2和 TiO2以一定比例合成的辐射材料。
从材料的形态出发，可以把红外陶瓷材料分为粉末红外陶瓷材料、纤文陶瓷材料、薄膜红外材料和体红外陶瓷材料。陶瓷材料的形态不同，用途也不相同。
按结构形式，陶瓷材料又可以分为单晶红外材料、多晶红外材料和非晶（玻璃）红外材料。
下表列出了常见的陶瓷材料:
表1.1 常见的陶瓷材料
碳化物 B4C、SiC、TiC、ZrC、TaC、MoC
氧化物 MgO、Al2O3、CaO、TiO2、SiO2、Cr2O3、Fe2O3、MnO2、ZrO2、BaO
氮化物 BN、AlN、TiN、Si3N4、ZrN
硅化物 TiSi2、MoSi2、WSi2
硼化物 ZrB2、TiB2、CrB2
1.2 红外辐射的产生机理
在红外陶瓷材料中，大多数分子是由若干小原子集合而成的，这些分子往往容易因为自身振动导致对称性发生变化，从而导致偶极距发生变化，从而增进红外线的吸收和发射，这在杂质和缺陷存在的情况下更加明显。尖晶石系材料中晶体的晶格振动会引起格波，这些格波的光学支频率与红外线频率很接近，因此物质在红外线照射下，红外光线和材料晶格的偶极子发生共振，增进了红外线吸收和发射。当晶体材料中加入杂质时，尤其是当四面体空隙或八面体空隙被不同的金属离子占有时，杂质格点产生电荷失衡，此时离子之间必然产生电子的互换，导致电子在不同的能级之间跃迁，加强了红外波段的吸收[5]，并且在杂质或缺陷处产生晶格畸变，减小了晶格振动的对称性，偶极距的改变增大，增强了材料的本征吸收。对于固体材料而言，晶格振动频率改变，晶格畸变和掺杂化学元素是改善材料红外辐射性能的三个重要方面。改变晶格振动的原有频率可以增进材料对不同波长的红外线的吸收。当杂质或者缺陷出现在晶体中时，就会产生晶格畸变，必然会降低晶格振动的对称性，增大偶极距的变化，促进红外线的吸收和发射；另外，在这些有杂质的局部区域，在电子的禁带能隙中出现杂质能级，有利于价带中的电子与空穴跃迁，进一步增进了晶体中与红外吸收相关的自由载流子红外吸收，增强了晶体的红外吸收性能。
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