一种具有光谱选择性的粉体及其制备方法和应用

本发明涉及功能粉体，更具体地，涉及一种具有光谱选择性的粉体及其制备方法和应用。

背景技术：

1、辐射冷却的原理是通过反射太阳光减少热量吸收，并将物体的热量以红外辐射的方式发射到外太空，从而实现对物体的降温。因此要想实现日间低于环境温度的冷却效果，就要保证辐射冷却材料具有良好的光谱选择性，即不仅在太阳光波段(0.3～2.5μm)具有高反射率以减少对太阳辐射热量的吸收，还要在大气窗口波段(8～13μm)具有高发射率以增大其向外太空发射红外辐射的能力。

2、功能填料的光谱选择性是决定辐射冷却涂层及薄膜冷却性能的关键。目前常用的功能填料为tio2、baso4、sio2等，其中，baso4的折射率则较低；tio2虽然折射率很高，但是由于带隙宽度小，所以其会对紫外光和波长较短的可见光有吸收；si3n4具有优异的本征光谱选择性指标，其禁带宽度为5.1ev，折射率为2.1，并且si-n共价键的声子极化共振吸收峰位于大气窗口内，因此具有高大气窗口发射率，辐射冷却应用潜力巨大，然而商业si3n4由于杂质相、元素组成以及晶粒尺寸与形状对太阳光散射效率的影响，难以实现高太阳光反射率。因此，有必要提供一种具有光谱选择性的si3n4粉体，以实现高太阳光反射率。

技术实现思路

1、鉴于以上问题，本发明的目的是通过采用高效、低能耗、对环境友好的燃烧合成工艺，制备出一种高光谱选择性的β-si3n4粉体。该粉体在太阳光波段(0.3-2.5μm)的反射率(rsolar)≥0.80，在大气窗口波段(8-13μm)的发射率(ε)≥0.85，可用于辐射冷却材料以及建筑制冷等的相关领域。

2、为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种具有光谱选择性的粉体，包括β-si3n4晶粒，及位于β-si3n4晶粒表面的y-si-o-n化合物膜层；所述β-si3n4晶粒的直径为0.1μm～6μm；所述y-si-o-n化合物膜层的厚度为1nm～5nm。

4、本发明提供的粉体主要成分为β-si3n4晶粒，及位于β-si3n4晶粒表面的y-si-o-n化合物膜层，其中，β-si3n4晶粒由于β-si3n4材料本身的性质、合适的相组成以及与太阳光波长相匹配的直径分布，赋予了粉体高光谱选择性；而晶粒表面均匀包覆的特定厚度的y-si-o-n化合物膜层具备高折射率，进一步增加了粉体对太阳光的散射作用。

5、优选地，，所述β-si3n4晶粒为六方棱柱状结构和/或长柱状结构；优选为六方棱柱状结构；所述β-si3n4晶粒的平均长径比为3～6。其中，本发明发现六方棱柱状结构的β-si3n4晶粒具有更优的太阳光的散射效果。

6、需要说明的是，所述平均长径比是指长轴/短轴之比，即纵横比的平均值；所述六方棱柱状结构不限于标准的六方棱柱状结构还包括近似六方棱柱状的结构。

7、优选地，所述y-si-o-n化合物膜层为非晶态。

8、优选地，所述β-si3n4晶粒的β相含量≥95％。

9、优选地，所述粉体在太阳光波段(0.3-2.5μm)的平均反射率≥0.80，在大气窗口波段(8-13μm)的平均发射率≥0.85。

10、第二方面，本发明提供上述粉体的制备方法，包括以下步骤：

11、将硅粉、α-si3n4粉体以及y2o3粉体按比例称重，混合后在氮气中进行燃烧合成反应获得所述粉体。

12、优选地，所述硅粉的粒径为1μm～5μm，所述α-si3n4粉体的粒径为0.5μm～8μm；其中，硅粉和α-si3n4粉体的粒径会对反应温度和反应产物的晶粒尺寸有影响，若其粒径太大不仅导致反应程度不彻底，而且粉体的直径也会随之增大。

13、优选地，所述α-si3n4粉体中，α相的含量为80％～95％。

14、优选地，所述硅粉与α-si3n4粉体的质量比为1～3:1～3；所述y2o3粉体与硅粉的质量比为0.01～1:20。

15、优选地，所述y2o3粉体与硅粉的质量比为0.1～1:20。

16、优选地，所述燃烧合成反应的反应压力为1mpa～10mpa；优选为3～10mpa。

17、优选地，所述燃烧合成反应，具体包括以下步骤：

18、将混合均匀的反应原料装入铺有碳毡的料框内，并置于燃烧合成的反应釜中；在反应釜中充入氮气，点火后反应原料自发进行燃烧合成反应。

19、第三方面，本发明提供一种上述粉体在制备光谱选择性材料或辐射制冷材料中的应用。

20、另需注意的是，如果没有特别说明，本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及以端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。本发明中制备方法如无特殊说明则均为常规方法，所用的原料如无特别说明均可从公开的商业途径获得或根据现有技术制得，所述试剂若无特殊说明均为分析纯，所述百分比若无特殊说明均为质量百分比。

21、本发明的有益效果

22、本发明提供了一种具有光谱选择性的粉体，该粉体同时具有高太阳光反射率和高大气窗口发射率，具体地：该粉体在太阳光波段的平均反射率(rsolar)≥0.80，在大气窗口波段的平均发射率(ε)≥0.85。

23、本发明进一步提供了一种上述粉体的制备方法，此方法具有高效、低能耗、对环境友好、可大量生产等优势。

技术特征：

1.一种具有光谱选择性的粉体，其特征在于，包括β-si3n4晶粒，及位于β-si3n4晶粒表面的y-si-o-n化合物膜层；所述β-si3n4晶粒的直径为0.1μm～6μm；所述y-si-o-n化合物膜层的厚度为1nm～5nm。

2.如权利要求1所述的粉体，其特征在于，所述β-si3n4晶粒为六方棱柱状结构和/或长柱状结构；优选为六方棱柱状结构；所述β-si3n4晶粒的平均长径比为3～6。

3.如权利要求1所述的粉体，其特征在于，所述y-si-o-n化合物膜层为非晶态。

4.如权利要求1所述的粉体，其特征在于，所述β-si3n4晶粒的β相含量≥95％。

5.如权利要求1所述的粉体，其特征在于，所述粉体在太阳光波段的平均反射率≥0.80，在大气窗口波段的平均发射率≥0.85。

6.一种如权利要求1～5任一所述的粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述硅粉的粒径为1μm～5μm，所述α-si3n4粉体的粒径为0.5μm～8μm；

8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述硅粉与α-si3n4粉体的质量比为1～3:1～3；所述y2o3粉体与硅粉的质量比为0.01～1:20。

9.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述燃烧合成反应的反应压力为1mpa～10mpa；优选为3mpa～10mpa；

10.一种如权利要求1～5任一所述的粉体或如权利要求6～9任一所述的制备方法制得的粉体在制备光谱选择性材料或辐射制冷材料中的应用。

技术总结本发明公开了一种具有光谱选择性的粉体及其制备方法和应用，所述粉体包括β‑Si<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;晶粒，及位于β‑Si<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;晶粒表面的Y‑Si‑O‑N化合物膜层；所述β‑Si<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;晶粒的直径为0.1μm～6μm；所述Y‑Si‑O‑N化合物膜层的厚度为1nm～5nm。本发明提供的具有光谱选择性的粉体同时具有高太阳光反射率和高大气窗口发射率，在制备光谱选择性材料、辐射制冷材料以及建筑制冷等相关领域具有极大的应用前景。具体地：该粉体在太阳光波段的平均反射率(R<subgt;Solar</subgt;)≥0.80，在大气窗口波段的平均发射率(ε)≥0.85。技术研发人员：李江涛,赵皆岩,宋莹楠,李永,杨增朝受保护的技术使用者：中国科学院理化技术研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/2