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铬锆质红外辐射材料、其制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种铬锆质红外辐射材料、其制备方法及其应用。
背景技术
众所周知，现有的红外辐射材料主要是直接用化工原料制成。最常用的有SiC、CrO、MnO、CoO、NiO、FeO、TiO₂等，但这些材料存在使用温度偏低、易老化、法向全发射率不高等缺陷和不足。
表1 列出了部分化工原料在400℃时的法向全辐射率

  名称  ε_n(400℃)  FeO  0.64-0.75  CrO  0.73-0.76  SiC  0.75-0.84  CoO  0.80  NiO  0.80  MnO  0.81
上表所述数据由中科院上海技物所研制的HFY-10材料发射率测量仪测定。表2是SiC原料分别在大气气氛中加热至400℃，保温4h和8h，加热至800℃，保温4h和8h后，其SiO₂含量的测定值。从表2可知，SiC在大气气氛中随着使用温度越高，使用时间越长，氧化速率是加快的，其结果是发生体积变化和红外辐射率的快速衰减。
表2 SiC在大气气氛中经不同温度和时间热处理的氧化情况


应该指出，近几年来，各种陶瓷纤维材料已使用在工业加热炉上，作为其耐火炉衬材料得到大量使用。其主要包括非晶态纤维、多晶纤维、单晶纤维和复合纤维。按其商品名称区分；工业炉常用的纤维有硅酸铝纤维、高铝纤维、氧化铝纤维及混合纤维。表3是高纯高铝硅酸铝纤维的化学组成。
表3 高纯高铝硅酸铝纤维的化学组成
  Al₂O₃  Al₂O₃+SiO₂  Fe₂O₃  K₂O+Na₂O  ≥60  ≥99  ≤0.2  ≤0.2
如上所述，市售的红外辐射材料大都含有FeO、MnO、CoO、NiO、TiO₂等这些具有高活性成份的化工原料混合物。而这些高活性成份会促进陶纤析晶，析晶的结果会引起陶纤的体积变化，使纤维发脆、粉化而逐渐失去使用价值；这些单体金属氧化物存在的另一个危害是会降低陶瓷纤维的耐火度。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的上述不足，提供一种在高温下法向辐射率高、高温物化性能特别稳定、耐高温的铬锆质红外辐射材料。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
铬锆质红外辐射材料，其特征在于，其组分包括Cr₂O₃、ZrO₂，还包括铬铁矿、钛铁矿、菱镁矿和锆英砂中的一种或几种。
优选的是，其组分还包括Al₂O₃、SiO₂、SiC、MgO、FeO、MnO、TiO₂、CoO、Ni₂O₃、CeO₂、Y₂O₃中的一种或几种与Cr₂O₃和ZrO₂一起作为化工原料。
优选的是，所述的铬铁矿、钛铁矿、菱镁矿和锆英砂中的一种或几种作为矿物料，矿物料在铬锆质红外辐射材料中的重量含量为75％～89.9％。
优选的是，还包括重量含量0～10％的晶须或高纯高铝陶瓷纤维。所述晶须为三氧化二铝晶须、碳化硅晶须、碳化硼晶须、氮化铝晶须、氮化硅晶须中的一种或几种。
加入晶须材料或高纯高铝陶瓷纤维，由于它们的高强度、高模量、高耐热性和低密度，可作为增强材料，改变了红外辐射材料的织构，使各组分之间结合更紧密，耐热性更好，作为涂层使用时的强度更高、抗冷热急变性、与炉衬耐材的结合匹配性能更好，比如与半轻质、轻质和陶纤类炉衬能牢固结合，能增强抗炉气冲刷能力等性能。
优选的是，所述的Cr₂O₃、ZrO₂重量比为1～2∶1～2。
优选的是，所述的矿物料在铬锆质红外辐射材料中的重量含量为80％～85％。
优选的是，所述Al₂O₃和SiO₂均为纳米级，粒径范围50-200nm，其目的是为了降低本发明材料在合成陶瓷时的煅烧温度。
优选的是，所述化工原料在铬锆质红外辐射材料中的重量含量为10.1％～25％。
优选的是，，所述的化工原料重量百分含量为15％～20％。
优选的是，所述化工原料组分按重量份包括Cr₂O₃ 20-40；ZrO₂ 20-40；MnO 1-5；MgO 1-25；FeO 1-10；Al₂O₃ 10-20；SiO₂ 5-10；TiO₂ 15-20；SiC1-10；CoO 1-5；Ni₂O₃ 1-5；CeO₂1-5；Y₂O₃1-5。
本发明的另一个目的是提供铬锆质红外辐射材料的制备方法，其特征在于，所述的铬铁矿、钛铁矿、菱镁矿和锆英砂中的一种或几种作为矿物料，先经1200℃～1700℃煅烧后粉碎；再与其它原料混合，再经1200℃～1700℃煅烧。
优选的是，最终煅烧后的铬锆质红外辐射材料粉碎，按10目-20目，20目-40目，40目-80目，80目-120目，120目-250目，250目-300目，＞300目筛分颗粒分级后，按照粒径进行重量配比，性能更好。
优选地是，各种粒径重量份数为：10目-20目，3-15重量份；20目-40目，5-15重量份；40目-80目，8-25重量份；80目-120目，10-30重量份；120目-250目，15-45重量份；250目-300目，10-25重量份；＞300目，5-20重量份。
通过上述方法制备，即使用硅酸盐化学与工学处理工艺后，各原料会形成一种铝镁尖晶石、镍铁尖晶石等尖晶石族的铬锆质陶瓷；其特点是具有十分稳定的高温物理化学性能和特别高的高温热辐射率。
本发明的第三个目的是提供铬锆质红外辐射材料在制备涂料中的应用，使用本发明中的铬锆质红外辐射材料做为组分之一制备的涂料具有节能效果。
本发明中的铬锆质红外辐射材料：
1.原料来源广，安全稳定。
2.法向辐射率高，ε_n(400℃)为0.87-0.93，不易衰减，使用寿命可达三年以上，使用寿命特别长。
3.使用温度高，能制成炉窑用的高温高辐射率节能涂料，耐火度≥1790℃，能在1600℃下长期使用。
如前所述，目前，市售的红外辐射涂料均由多种金属氧化物等化工原料和磷酸盐、硅酸盐等基料，经简单的机械混合后制成，是一种混和物。这种配方和制备工艺决定了它辐射率低、易老化、化学活性大、使用温度低和易与炉衬耐材产生低熔点共熔物而对炉衬耐材造成侵蚀等缺点和不足；而本发明材料通过如前所述的采用陶瓷化的制备工艺，合成了一种含尖晶石族的铬锆质陶瓷，使其具有十分稳定的高温物化性能，由此，对炉衬耐材特别是陶纤类炉衬，在高温时，不发生物化反应，即具有高度惰性。特别能制成对各种陶瓷纤维类炉衬具有高惰性，能保护该类陶纤炉衬的材料，抗高温气流冲刷和侵蚀；延长其使用寿命，能提高该类炉衬材料使用温度100℃以上。详见下表铬锆质红外辐射涂料与国内其它商品涂料的区别。

5.本发明中的铬锆质红外辐射材料可作为远红外加热的基础材料，用其制成远红外涂料，并可加入适量陶土后烧成灯型、板型、管状等各种红外加热器件。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细的描述：
表5和表6是本发明实施例1-25中的各组份重量百分含量。
表5：

表6：

表7和表8是实施例1-25中，化工原料的各组份重量份数：
表7：

表8：


上述实施例中，其生产方法为：所述的钛铁矿、铬铁矿、菱镁矿、锆英砂等需经1200℃～1700℃高温煅烧后磨细。上述煅烧后的矿物原料与化工原料充分混合后，经1200℃～1700℃高温煅烧，煅烧后其会生成一种铝镁尖晶石、镍铁尖晶石等尖晶石族的铬锆质陶瓷。
最终煅烧后的铬锆质红外辐射材料经粉碎后即可使用。
下表中，是实施例1-25中，矿物料的煅烧温度；矿物料与化工原料混合后的煅烧温度。


优选的是，最终煅烧后的铬锆质红外辐射材料粉碎，按10目-20目，20目-40目，40目-80目，80目-120目，120目-250目，250目-300目，＞300目筛分颗粒分级后，按照粒径进行重量配比，性能更好。
优选地是，各种粒径重量份数为：10目-20目，3-15重量份；20目-40目，5-15重量份；40目-80目，8-25重量份；80目-120目，10-30重量份；120目-250目，15-45重量份；250目-300目，10-25重量份；＞300目，5-20重量份。
下表中为实施例1-25中各种粒径的原料重量份数：


下表为实施例1-6中的铬锆质红外辐射材料性能测试数据：

本发明提供的铬锆质红外辐射材料系铬锆质矿化黑陶瓷，除可直接作为涂料使用，也可用石膏浇注成型、热压成型以及捣打成型等工艺制成灯状、管状、板状等各种形状的红外辐射基体材料。
本发明中的实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域内技术人员可以想到的其他实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。