红外辐射加热技术（上）

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利用红外辐射是自然界中很多生物赖以生存的本领，其中响尾蛇可通过颊窝探测周围的红外辐射源，从而定位捕捉猎物。而红外辐射技术在人类科技中的应用更为广泛，工业生产、航天jungong等领域都不可缺少对于红外辐射的研究与利用。

1 红外加热的起源及物理原理

红外加热作为上二十世纪七十年代出现的具有革命意义的高效节能技术，其起源要追溯1800年，英国科学家威廉·赫歇尔在测量各种颜色的光的加热效应实验中发现红外线。

图1 威廉·赫歇尔七色光热效应实验[1]

红外辐射本质是一种电磁波，频率介于微波与可见光之间，为0.3THz～400THz，对应真空中的波长区间为0.76~1000μm，因不同行业对于波长的定义略有不同，大体可分为：近红外、中红外、远红外、极远红外。

近红外—波长位于0.76~3μm的红外线。

中红外—波长位于3~6μm的红外线。

远红外—波长位于6~15μm的红外线。

极远红外—波长位于15~1000μm的红外线。

图2 电磁波频谱图[2]

现代物理学认为，所有高于零度 (-27℃) 的物体都会发出红外辐射。红外光谱主要是由分子振动能级的跃迁（同时伴随转动能级跃迁）而产生的[3]。物质吸收红外辐射，是将外界红外辐射迁移能量作用到分子层，而这种能量的转移是通过偶极距的变化来实现的。

图3 分子偶极距d概述图[4]

偶极子具有一定的固有振动频率，当辐射的红外频率与偶极子频率相匹配时，分子才与红外辐射频率发生相互作用（振动偶合），即分子由原来的基态振动跃迁到较高的振动能级，这种能级的升高导致物体吸收红外辐射产生可被观测的温度变化。这就是红外加热的基本物理原理。

2 红外加热技术的发展

上世纪70年代红外加热技术仅局限于0~450℃的中低温加热领域，进入80年代美国和西欧国家率先突破了500~850℃红外加热的技术难关，而日本则成功研制了高温红外聚焦炉，其能提供900~1400℃加热范围。至此红外加热技术的加热范围覆盖了0~1400℃，满足了全世界绝大多数的应用场景。

图4 日本ULVAC品牌红外聚焦炉及其原理[5]

红外加热凭借节能、高效等多项突出优点，在多种领域被广泛应用，至今红外加热技术仍被多国列为先进技术进行大力开发。

在我国远红外加热技术的发展至今历经了三个阶段，从我国70年代时的搪瓷、半导体、陶瓷、电阻带、金属管、碳化硅等元器件再到80年代时的微晶玻璃灯、镀金石英管、石英管等元器件，后到现在的远红外定向强辐射器，远红外元器件的电能辐射转换的效率从40~ 50%一直上升到78%甚至更多[6]。

3 红外加热器的具体分类

目前在工业用红外加热领域，主要以短波、中波和长波红外来区别各种红外加热器。应用较多的红外线发生器主要有：石英玻璃灯管式和金属箔式。

01 石英玻璃灯管

石英玻璃灯管由钨丝外套带有反射层的石英玻璃管组成如图5所示，为了适应不同的加热对象，通过改变加热丝的材料成分和绕制方法，可以产生不同波长的红外线辐射。石英玻璃管具有高强度、高热效、高穿透性、低能耗的显著特点，能够在 1000℃以上持续稳定地工作，并具有较好的耐腐蚀性。

图5 石英玻璃红外加热灯管

02 金属箔红外发生器

金属箔红外发生器，是将含有特殊涂层的金属箔加热丝作为红外辐射源，一般辐射强度的峰值位于波长在2μm~4μm的中波红外线范围，更适合高分子及复合材料等对于红外线的吸收特性。

图6 一款金属箔红外加热模块

参考文献&素材来源

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