上篇“关于《ZS-233高温热反射涂料》高反射率的宏观理论”从材料性能、选材及加工工艺上解释了ZS-233具有高反射率的原理,那么在微观层面上是如何实现的呢?
网上、书籍、文献资料上关于反射的微观理论都比较抽象,不利于大众理解吸收,艾工就把他们变成自己的语言,以最好懂的方式给大家表达出来。
从微观原子结构上来说,关于高反射率的理论目前有电子跃迁理论和能带理论。
1、电子跃迁理论:不管是金属还是金属氧化物,其高反射率都与金属原子核周围的高密度外层电子有关,高密度的电子云使其与光子发生强烈的相互作用。当光照射到金属氧化物(或者金属)表面时,光子的能量可以激发金属原子核周围的束缚较小的相对自由的电子,使其跃迁到更高能级的状态。而高能态的电子是不稳定的,它们会迅速回到基态,将吸收的能量以热能或光子的形式释放出去。
如果电子吸收的能量是以热能的形式释放,那就是电子携带的能量促使原子核发生了更高速率的振动或者转动,也就是温度升高,这就叫高吸收。反之,如果电子吸收的能量是以光子的形式释放,那就是电子携带的能量无法影响到原子核使其运动状态发生变化,只能自行解决发出光子,从而释放能量,这就叫高反射。那么,为什么金属原子的外层电子携带的能量无法影响到原子核使其运动状态发生变化呢?是因为大多数金属原子外层电子数量众多,电子层数也较多,而原子核对外层电子的束缚又比较弱,距离也较远,尤其是越靠最外层的电子与原子核之间的作用力就越弱,所以很难影响到原子核的运动状态。相反,高能级的外层电子与外界气体的相互作用就容易多了,所以才会发出光子射向外界。这就是电子跃迁理论。
2、能带理论:每个原子的外层电子都具有一定运动宽度范围的能带,能带分为价带和导带,两个能带之间的间隙称为禁带。完全被电子占据的范围为价带,部分被电子占据的范围为导带,价带的电子被用来平衡原子核的电荷和引力,导带的电子则比较自由,在一定条件下可自由穿梭于原子核之间,从而形成电流。价带的电子获得更高能量时受到激发就可能进入导带,导带中的电子能级过高与其轨道能级不符的,则会放出能量重新回到价带。大多数金属和金属氧化物的能带是重叠的,几乎没有禁带存在,所以当光照射到金属氧化物(或者金属)表面时,它可以吸收各种能量的可见光和红外线波,使价带的电子发生能级跃迁进入导带,然后这些电子再放出能量返回价带,而返回时大多是以发出光子的形式释放能量(原因与电子跃迁理论相同),所以才会表现出高反射率。
ZS-233高温热反射涂料也正是充分利用了金属氧化物材料的电子跃迁理论和能带理论,才做到了如此宽幅的范围内如此高的反射率!
ZS-233高温热反射涂料常用于需要高反射率的炉窑热工设备上,近几年在太阳能光热设备应用上也火了起来。
能带理论知识拓展:
高透射物质是由于禁带宽度较大,当光子照射时,直接通过禁带,大多光子与能带电子几乎没有相互作用,这样的话能量没有转换,也就不能被吸收或者被反射,而是直接透了过去。ZS-922透明耐磨涂料和ZS-511纳米自洁涂料属于此类材料,可用于不能阻挡光线和红外线波的物体表面,比如太阳能光伏板等。
高吸收物质有两类:一类是跟高反射物质一样几乎没有禁带,但是其外层电子较少、电子层数也少,原子核与外层电子距离较小、作用力较强,这样的话被光子能量激发的导带电子返回价带时,其能量绝大部分都被原子核吸收了,表现出温度升高。ZS-2022吸波增热涂料属于此类材料,常用于需要高吸热效率的锅炉、窑炉部件上。
另一类是有禁带,但禁带非常窄,当光子进来时也会与价带电子发生强烈的相互作用,被电子吸收的能量再释放时被原子核吸收,此外还有一小部分的光子能量在透过外层电子的禁带后正好到达原子核,直接被原子核吸收了。ZS-2021吸波温控涂料属于此类材料,常用于ZS-1耐高温隔热保温涂料的辅助控温,防止大量高能量电磁波透射。