一种用于高温工业节能增效的耐高温型红外辐射涂料

本发明涉及节能增效领域，尤其涉及一种用于高温工业节能增效的耐高温型红外辐射涂料。

背景技术：

1、一般而言，热传递主要靠三种方式：辐射、对流和热传导。而在1000℃以上的高温环境中，辐射传热在所有传热方式中的比例高达80%以上，这充分显示出辐射传热在高温工业中的决定性地位，例如工业窑炉和电站锅炉。依据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，材料的红外发射率与其辐射能力直接相关。但遗憾的是，现有的铝硅系耐火材料，尤其是那些被广泛应用于炉窑内衬的，其发射率普遍偏低（小于0.6），这严重限制了它们的辐射传热效果。为了解决这一问题，一个切实可行的解决方案是在这些铝硅系耐火材料表面施加一种高红外发射率的涂层。这种涂层不仅增强了材料的吸收能力，同时也显著提高了其辐射能力，从而极大地提高了辐射传热效率。这一创新对于提高高温工业的热效率和实现节能目标具有深远的意义。

2、在高温工业领域，红外高发射率材料如sic和sib6等非氧化物被广泛采用，但在高温环境下，这些材料因其较弱的抗氧化能力，经常出现在长效使用过程中发射率衰减的问题。尽管过渡金属和稀土金属氧化物作为常用的红外辐射材料，它们表现出良好的抗氧化特性，但这些材料在1~5μm波段的发射率并不理想。根据wien定律和plank定律，当工作温度超过800℃时，该波段的辐射热成为主导。铝酸镧（laalo3）作为一种稀土复合金属氧化物，其独特的钙钛矿结构、稳定的晶体构造以及高达2180℃的熔点，使其在高温材料领域备受关注。不过，这种陶瓷材料的固有红外发射率相对较低，特别是在1~5 μm波段内，发射率仅为0.21，这大大限制了其在高温应用中的辐射传热能力。为了改进铝酸镧陶瓷的红外发射特性，研究者尝试在其b位掺杂cr、fe、mn、co等金属元素，或在a位掺杂ca、sr等金属元素，甚至在a/b位同时进行掺杂。这些掺杂确实可以提高陶瓷的红外发射率，但同时也带来了一系列新的挑战和问题。例如，通过cr掺杂可以增加红外发射率，但在高温下可能产生有害的cr6+，增加环境污染风险。fe和co的掺杂则可能导致不稳定的中间相生成，降低了陶瓷的热稳定性，进而在高温下诱导晶粒生长，使得发射率衰减，不利于长效节能。

3、高熵氧化物是一种多主元新兴的氧化物材料，在基础物理、力学性质、储能、催化等重要领域都展现出重大发展潜力。与基于较少组分的传统掺杂策略相比，高熵氧化物多主元混合时会导致额外的性能增加。由于高的构型熵，高熵氧化物展示了一系列卓越的性能，包括高的熔点、优异的硬度、良好的热稳定性和出色的耐腐蚀性。通过多组元的协同效应，引入不同的不纯能级，高熵氧化物可以进一步增强其在1~5 μm波段的外辐射性能。然而，高熵氧化物作为红外辐射材料的报道较少。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种性能良好的用于高温工业节能增效的耐高温型红外辐射涂料。

2、为解决上述问题，本发明所述的一种用于高温工业节能增效的耐高温型红外辐射涂料，其特征在于：该耐高温型红外辐射涂料的工作温度为800~1500℃，由下述重量份的原料组成；高熵钙钛矿辐射颜料10~15份、填料20~25份、高温粘结剂20~30份、助剂3~8份和去离子水15~25份；所述高熵钙钛矿辐射颜料的化学通式为realo3, 其中re为稀土元素la、pr、ce、nd、sm、gd、er、dy中的六种，各稀土元素为等摩尔比。

3、所述高熵钙钛矿辐射颜料在0.78~2.5μm波段发射率不小于0.86，在2~16μm波段发射率不小于0.84。

4、所述高熵钙钛矿辐射颜料按下述方法制得：以金属元素摩尔比为1：1的reox粉末和al2o3粉末为原料进行球磨混合， 经烘干、研磨后即得混合物粉末；所述混合物粉末在空气氛围中高温煅烧，经冷却、研磨即得；所述reox为pr6o11、la2o3、ce2o3、nd2o3、sm2o3、er2o3、gd2o3、dy2o3中的六种。

5、所述球磨混合的条件是指采用行星式球磨机进行湿法球磨，球磨转速为300~500r/min，球磨时间为5~12小时，球料水的质量比为2~5：1：3。

6、所述高温煅烧的条件是指煅烧温度为900~1500℃，升温速率为3~10℃/min，煅烧时间为2~6小时；所述冷却方式为随炉冷却、空气淬火冷却和液氮淬火冷却中的一种。

7、所述填料为氧化锆、氧化铪、氧化钇、费脱石、闪石、长石、莫来石、黏土中的至少三种，粒径为20~100nm，比表面积为40~100m2/g。

8、所述高温粘结剂是指磷酸稀土、硅溶胶、磷酸二氢铝中的一种或两种。

9、所述助剂为流平剂、分散剂与消泡剂以1：1：1~1：2：3的质量比混合均匀的混合物；所述流平剂为德谦810硅酮流平剂-聚醚改性聚硅氧烷、afcona-3587-聚醚改性有机硅、afcona-3085-聚醚改性有机硅中的一种或者两种；所述分散剂为5040分散剂、led-1分散剂、s19分散剂和木质素磺酸钠中的一种或者多种；所述消泡剂为聚醚改性聚二甲基硅氧烷、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚和二甲基硅油中的一种或者两种。

10、如上所述的一种用于高温工业节能增效的耐高温型红外辐射涂料的制备方法，其特征在于：该方法是指首先按配比称重；然后将高熵钙钛矿辐射颜料加入到高温粘结剂中，机械搅拌10~15分钟，待搅拌均匀后，再加入填料，机械搅拌30~45分钟，即得混合物a；所述混合物a中加入去离子水，机械搅拌10~15分钟，再加入助剂，搅拌均匀，即得混合物b；所述混合物b采用行星式球磨机以400~500r/min的转速搅拌1.5~3小时，即得。

11、一种采用如上所述的耐高温型红外辐射涂料制备的涂层，其特征在于：该涂层常温下在0.78~2.5μm波段发射率不小于0.96，在2~16μm波段发射率不小于0.90。

12、本发明与现有技术相比具有以下优点：

13、1、本发明在a位多元稀土掺杂铝酸盐，laalo3为钙钛矿型半导体，熔点高(2180℃)，高温稳定性好，具有典型的间接跃迁型能带结构，并且还与热加工设备中常用的铝硅系耐火材料在化学成分和热膨胀系数方面具有高度的兼容性。其掺杂会引起晶格畸变，破坏了原有的晶格振动周期，使晶格振动增加，从而提高了颜料的光吸收性能和红外辐射性能。同时熵驱动的结构稳定效应还可以避免传统钙钛矿氧化物偏析。

14、2、本发明通过稀土掺杂钙钛矿提高涂料红外辐射性能，使涂层红外辐射率高达0.96，同时降低了涂层的热导率，涂层的热导率低至1.0~1.5wm-1k-1，极大地减小了炉膛热量损失和基材的温升。

15、3、采用本发明涂料制备的涂层外表光滑、致密、无起泡、无龟裂，进一步提高了耐高温腐蚀性能。

16、4、将本发明涂料制备的涂层在700℃熔盐腐蚀240小时，熔盐是质量比为1：1的na2so4+k2so4，涂层高温熔盐腐蚀后光滑、致密、无起泡、无开裂，表明该涂料制备的涂层具有优异的耐高温熔盐腐蚀性能。

17、5、采用本发明涂料在陶瓷纤维板上制备的涂层，在1400℃空气环境中进行72h热稳定实验，结果显示该涂料制备的涂层具有优异的耐高温性能。

18、6、采用本发明涂料制备的涂层可全面平衡高温工业中受热面的换热比例，强化辐射换热能力，其主要表现为增强高温工业热利用率，起到节能增效的作用，可应用于工业窑炉和电站锅炉等领域。