CN103361625B - 一种碳纳米纤维薄膜光热转换材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纳米纤维薄膜光热转换材料的制备方法，包括：提供金属基体，并对该金属基体表面进行预处理，使得金属基体表面粗糙度为Rz值5nm以上；将预处理过的金属基体在0‑5000mBar气压，180‑850℃的温度下，进行化学气相沉积，获得碳基物质纳米纤维薄膜；在500‑1500℃的高温下，将所生成的碳基物质纳米纤维薄膜在真空下或保护性气氛(例如氮气、惰性气体等)下碳化，得到碳纳米纤维薄膜光热转换材料。在不使用其他催化剂的情况下，可以在大面积的粗糙金属基体上直接获得碳纳米纤维薄膜，且其形貌可控，适于工业应用。

Description

一种碳纳米纤维薄膜光热转换材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种碳纳米纤维薄膜材料及其制备方法，特别涉及生长于金属基体上的碳纳米纤维薄膜光热转换材料及其制备方法。

背景技术

近年来，面对快速增长的能源需求，人们迫切需要寻找环境友好型可再生新能源。太阳能因清洁、可再生而成为理想选择，但是太阳光能量密度低的特点却限制了其广泛应用。因此，要使太阳能大规模应用于工业和日常生活，必须先将其转换成为热能或电能的形式。这其中，光热转换因为高效廉价而成为一条重要途径。

对于光热转换技术及其材料而言，为了在最大限度收集太阳光的同时尽可能减少热损失，就需要在太阳光波段尽量多地吸收而在红外波段尽量少地辐射。需注意到太阳光波长限制在0.25＜λ＜3μm范围内，而热辐射则在2＜λ＜100μm范围内呈钟形分布(对应于室温到几百摄氏度温度区间)，也就是说太阳光和热辐射光谱几乎没有重叠。这一特性使得光谱选择性吸收成为可能。光谱选择性吸收材料正是基于这一原理而工作的，它对太阳光具有高吸收率，而在红外波段则具有低辐射率，从而实现了高效光热转换。

光谱选择性吸收材料体通常由两部分组成，即金属基体和覆盖于其上的功能涂层。功能涂层一直以来都使用电化学方法制备，如文献Granqvist，CG；Wittwer，V.Materials for solar energy conversion：An overview.Solar Energy Materialsand Solar Cells，v54(1998)，39-48页对此有所描述。

但近年来各种真空技术则在该领域扮演起越来越重要的角色，如以下文献对此有所描述：Nunes C，Teixeira V，Prates ML等人，Graded selective coatings based onchromium and titanium oxynitride.Thin Solid Films，v442(2003)，173-178页；JuangRC，Yeh YC，Chang BH等人，Preparation of solar selective absorbing coatings bymagnetron sputtering from a single stainless steel target.Thin SolidFilms.v518(2010)，5501-5504页；Nunes C，Teixeira V，Collares-Pereira M等人，Deposition of PVD solar absorber coatings for high-efficiency thermalcollectors.Vacuum，v67(2002)，623-627页；Zhang QC，Shen YG，High performance W-AlNcermet solar coatings designed by modelling calculations and deposited by DCmagnetron sputtering.Solar Energy Materials and Solar Cells，v81(2004)，25-37页。

功能涂层的结构可以近似为吸收体-反射体序列，即红外反射层覆盖金属基体，随后选择性吸收层覆盖于红外反射层之上，选择性吸收层对于太阳光具有高吸收率，而在红外波段则是透明的，从而材料的整体红外辐射受到抑制，可参见Harish C.Barshilia，N.Selvakumar等人，Thermal stability of TiAlN/TiAlON/Si3N4 tandem absorbersprepared by reactive direct current magnetron sputtering.Journal of VacuumScience & Technology A，v25(2007)，383-390页。

总体而言，应用物理气相沉积技术(PVD)，在铜基体上制备多层膜而获得的太阳能选择性吸收材料，代表着该领域当前的最高水平，可获得高达96％的吸收率和低于10％的发射率。PVD多层膜吸收体具有良好的光学性能，但是其缺点也不容忽视，主要表现在以下几个方面：

1)PVD多层膜的热稳定性不够理想。PVD多层膜的光学性能与其微观结构密切相关，而一些应用场合要求太阳光吸收体能够在500℃下稳定服役15～20年。高温下基体材料会扩散至吸收层，使得薄膜结构发生改变，最终导致光学性能恶化。尽管这一问题可以通过在基体和功能涂层之间插入扩散屏障层而加以解决，但这样会使制造工艺上更加复杂从而引起成本提高；

2)形状灵活性差。积聚在光吸收体上的热量必须被带走加以利用，通常使用水或气体作为作载热介质。为提高热交换效率，需要使载热介质与光吸收体之间具有尽可能大的接触面积以。在金属基体上制作出沟槽结构能够显著增大接触面积，然而使用PVD技术却难以在这样的不平坦的基体上制备涂层。

3)高成本。制备PVD多层膜必须使用复杂的专用设备，在严格控制的操作条件下进行。高真空(～10^-4Pa)，高纯度靶材(～99.99％)，精确的气流量以及膜厚控制都是必不可少的条件。金属基体的预处理也是非常严格的，必须抛光至非常光洁并且清洗得非常干净。这些复杂的工艺以及随之而来的高成本给该技术的大规模应用造成了障碍。

除PVD多层膜吸收体外，人们亦开发了基于碳纳米管阵列的光吸收材料，此类材料具有极高的光吸收率(99％以上)，但制备方法复杂，通常只有使用精心制备的催化剂才能获得碳纳米管阵列薄膜，而且所得碳纳米管光吸收体并未直接生长于金属基体上，目前只局限在实验室研究，不适于工业应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明人进行了锐意研究，结果发现，使用铜及铜合金，或者过渡金属及其合金(例如铁、钴、镍，以及含有铁、钴、镍元素的合金)作为金属基体，通过将基体表面粗糙度控制在适当值，在不使用其他催化剂的情况下，通过化学气相沉积，即可在其上生长碳基物质纳米纤维，碳化后即获得碳纳米纤维薄膜光热转换材料，从而完成本发明。

本发明的目的在于提供一种碳纳米纤维薄膜光热转换材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：提供金属基体，并对该金属基体表面进行预处理，使得金属基体表面粗糙度Rz值为5nm以上；

步骤2：将预处理过的金属基体放入热化学气象沉积设备的反应腔体中，在0-5000mBar的气压下，在180-850℃的温度下，充入反应性气体进行化学气相沉积，在金属基体表面生长碳基物质纳米纤维薄膜；

步骤3：在500-1500℃的高温下，将所生成的碳基物质纳米纤维薄膜在真空下或保护性气氛(例如氮气、惰性气体等)下碳化，得到碳纳米纤维薄膜光热转换材料；

其中，在步骤1中，金属可选自：铜(Cu)及铜合金，各种过渡金属及其合金，例如铁(Fe)、钴(Co)、或镍(Ni)，以及含有铁(Fe)、钴(Co)、或镍(Ni)元素的合金。

在本文中，所用术语“粗糙度”是指Rz值，其通过采用原子力显微镜(AFM)作为测试设备，在非接触模式下测得(适用于粗糙度小于1μm时的测试)，或者通过采用3D激光显微镜测得(适用于粗糙度大于1μm时的测试)。换言之，对于小于1μm的粗糙度Rz值，通过原子力显微镜(AFM)测得，对于大于1μm的粗糙度Rz值，通过3D激光显微镜测得。

在本文中，所用术语“保护性气氛”或“保护性气体”是指非氧化性气体，其可以防止氧化反应而免于材料损耗或消失。作为可用的保护性气体，具体可提及惰性气体(诸如氩气、氦气等)、氮气等。

本发明的另一目的在于提供一种碳纳米纤维薄膜光热转换材料，该材料通过上述方法制得。

根据本发明，在不使用其他催化剂的情况下，可以在大面积的粗糙金属基体上直接获得碳纳米纤维薄膜，形成光热转换材料，所述碳纳米纤维薄膜光热转换材料的微观形貌可以通过控制金属基体表面粗糙度而控制为直线纤维型或螺旋纤维型，在粗糙度较低时，如Rz值在5nm-50nm时，得到螺旋型碳纳米纤维，在粗糙度较高时，如Rz值大于50nm，得到直线型碳纳米纤维，适于工业应用。根据本发明的直线型碳纳米纤维薄膜和螺旋型碳纳米纤维薄膜都具有光热转换功能，而且螺旋型碳纳米纤维还具有电磁波吸收功能。

本发明所制备的碳纳米纤维薄膜作为光热转换材料具有如下优点：

1)光吸收率高，根据本发明制备的碳纳米纤维薄膜具有高达99.5％的光吸收率。

2)热稳定性高，根据本发明制备的碳纳米纤维薄膜在高温下非常稳定，使用中不会发生性能改变。

3)形状灵活性大，本发明使用热化学气象沉积(Thermal CVD)技术，使碳纳米纤维薄膜直接生长在金属基体上，薄膜的最终形状与金属基体相同。因为金属基体可以很方便的通过加工形变成为所需的形状，所以光吸收体具有很高的形状灵活性，可以制成各种形状而不会带来额外的成本。此外由于吸收体具有上述形状灵活性以及在红外波段的高吸收率，热损失也可以通过结构设计而得到抑制，例如在光吸收体上制作沟槽结构。从理论上讲，如果沟槽足够深，红外辐射造成的损失将被近乎完全抑制。

4)热交换效率高，因为碳纳米纤维具有极高的比表面积，当使用气体作为导热介质来带走积聚在光吸收体上的热量时，将具有很高的热交换效率。

5)成本低，光吸收体由直接生长在金属基体上的碳纳米纤维薄膜组成，制备方法为热化学气相沉积。原料为常用工业气体乙炔或甲烷。生产设备结构简单，造价低廉。不需要高真空生产环境或高纯材料。

6)环境友好，本发明所用原材料及最终产品均环境友好。成产过程亦不产生环境污染。

附图说明

图1：本发明所用热化学气相沉积设备结构示意图；

其中，1-金属基体；2-加热炉；3-氧化铝管；4-热电偶；5-乙炔气；

图2：实施例1中的太阳光吸收体样品：(a)预处理后的铜基体光学照片，(b)预处理后的铜基体SEM照片，(c)碳基物质纳米纤维薄膜覆盖样品光学照片，(d)碳基物质纳米纤维薄膜覆盖样品SEM照片，(e)碳纳米纤维薄膜覆盖样品光学照片，和(f)碳纳米纤维薄膜覆盖样品SEM照片；

图3：不同种类光吸收体的总反射率，其中1表示无光黑漆薄膜，2表示PVD多层膜，3表示实施例1获得的碳纳米纤维薄膜；

图4：实施例1制得的碳纳米纤维薄膜样品的总反射率和漫反射率曲线；

图5：在800℃下经不同时间碳化后样品的总反射率曲线，其中，1表示实施例1，2表示实施例2，3表示实施例3，4表示实施例4，5表示实施例5；

图6：实施例6中一种用于减少热辐射损失的封闭结构示意图，在这一结构中，多数的红外辐射会被对面的碳纳米纤维薄膜再次吸收；

其中，1-金属基体；61-碳纳米薄膜；62-太阳光；

图7：实施例8中的碳纳米螺旋纤维薄膜覆盖样品：(a)预处理后的铜基体SEM照片，(b)碳纳米螺旋纤维薄膜覆盖样品SEM照片。

具体实施方式

以下通过具体实施方式进一步解释或说明本发明内容，但实施例不应被理解为对本发明保护范围的限制。

在本文中，所用术语“(金属基体表面)粗糙度”是指Rz值，其通过采用原子力显微镜(AFM)作为测试设备，在非接触模式下测得(适用于粗糙度小于1μm时的测试)，或者通过采用3D激光显微镜测得(适用于粗糙度大于1μm时的测试)。作为替换，“(金属基体表面)粗糙度”也可以是指通过扫描电镜(SEM)观察到的金属表面的突起、沟槽、凹陷等形貌的尺寸。实验证明，通过原子力显微镜(AFM)和扫描电镜(SEM)观测得到的(金属基体表面)粗糙度基本一致。

本发明人经过大量研究发现，金属基体表面粗糙度是能否在金属基体上通过化学气相沉积方式生成碳纳米纤维薄膜的关键因素，而且粗糙度大小对所得碳纳米纤维的形貌有重要影响。在诸如铜及铜合金，过渡金属及其合金(例如铁、钴、或镍，以及含铁、钴、镍元素的合金)等金属基体的表面粗糙度为5nm以上时，即可通过化学沉积方式在金属基体上直接生长碳基物质纳米纤维，经碳化后成为碳纳米纤维。特别地，当金属基体表面粗糙度Rz值为5nm-50nm时，优选10nm-50nm，更优选20nm-50nm，还更优选30nm-50nm范围内时，得到螺旋型碳纳米纤维；当金属基体表面粗糙度Rz值高于50nm，优选在50nm-10μm范围内时，得到直线型碳纳米纤维。如果金属基体表面粗糙度小于5nm，则无法在在金属基体表面直接获得碳纳米纤维。

为了对金属基体表面进行预处理以获得期望的金属基体表面粗糙度，可以使用常见的金属加工和抛光方法，如形状加工、机械打磨、喷砂、机械抛光、电解抛光等。

在根据本发明建立的碳纳米纤维薄膜光热转换材料的制备方法中，对于金属基体的形状没有特别要求，可以为板状、片状、棒状等。

本发明经过大量研究，发现铜及铜合金，过渡金属及其合金(例如铁、钴、或镍，以及含铁、钴、镍元素的合金)可以作为基体用于直接生长碳基物质纳米纤维薄膜，经碳化后成为碳纳米纤维薄膜。特别地，铜及铜合金、铁及铁合金、钴及钴合金、和镍及镍合金优选作为基体使用，进一步地，铜、铁、钴、或镍更优选作为基体使用。

在根据本发明建立的碳纳米纤维薄膜光热转换材料的制备方法中，在步骤2中，将经过步骤1预处理的金属基体放入热化学气相沉积设备的反应腔体中。所述热化学气相沉积(Thermal CVD)设备主要部分是一个可从内部或外部加热的腔体，真空泵和气瓶通过气路连接在腔体上，从而腔体内可以抽真空或充入所需气体。优选地，如图1所示，将作为腔体的氧化铝管穿过加热炉膛，将金属基体置于氧化铝管相应于加热炉的位置，实现对氧化铝管内部的加热。将热电偶放于金属基体铜板附近，用于测温。氧化铝管连接着真空泵和气瓶的气路(图中未示出)，反应性气体如乙炔气通过气路流入。

在根据本发明的碳纳米纤维薄膜光热转换材料制备方法中，金属种类不仅对于能否在金属基体上直接生长碳基物质纳米纤维有所影响，而且，金属种类对于化学沉积所需的温度有所影响，并对所得碳基物质纳米纤维薄膜的碳化温度有所影响。

在根据本发明方法的一个优选实施方式中，当金属基体为铜或铜合金时，在180-450℃，优选200-300℃，还更优选230-280℃的温度下，进行化学气相沉积；在500-900℃，优选800-900℃，更优选800-850℃的高温下，将所生成的碳基物质纳米纤维薄膜真空碳化，得到碳纳米纤维薄膜光热转换材料。如果进行化学气相沉积的温度低于180℃或高于450℃，则不满足碳基物质纳米纤维薄膜生长所需的热力学和动力学条件而无法进行有效沉积。如果真空碳化的温度低于500℃，则碳化会不完全，如真空碳化温度高于900℃，则由于温度过高导致金属基体和碳纳米纤维薄膜剥离。

在根据本发明方法的一个优选实施方式中，当金属基体为铁、钴、镍，或含有铁、钴、镍元素的合金时，在350-850℃，优选400-700℃，还更优选500-600℃的温度下，进行化学气相沉积；在500-1500℃，优选800-1200℃，更优选900-1000℃的高温下，将所生成的碳基物质纳米纤维薄膜真空碳化，得到碳纳米纤维薄膜光热转换材料。如果进行化学气相沉积的温度低于350℃或高于850℃，则不满足碳基物质纳米纤维薄膜生长所需的热力学和动力学条件而无法进行有效沉积。如果真空碳化的温度低于500℃，则碳化会不完全，如真空碳化温度高于1500℃，则由于温度过高导致金属基体和碳纳米纤维剥离。

在根据本发明的碳纳米纤维薄膜光热转换材料的制备方法中，在步骤2中，用于进行化学气相沉积的反应性气体，可以采用烃类物质，如低级烷烃、烯烃或炔烃，在此，“低级烃”一般是指碳原子数为1-4的烃，通常采用的反应性气体是乙炔或甲烷。

在根据本发明的碳纳米纤维薄膜光热转换材料的制备方法中，在步骤2中，在0-5000mBar的气压下进行化学气相沉积。在此压力范围内，随着压力升高，碳基物质纳米纤维薄膜的生长速度加快。考虑到工艺可行性和设备安全，优选在500-1000mBar的气压下进行化学气相沉积。

在根据本发明的碳纳米纤维薄膜光热转换材料的制备方法中，在步骤2中，在金属基体上生长的碳基物质纳米纤维薄膜的厚度可由生长时间控制。一般而言，生长时间越长，所得碳基物质纳米纤维薄膜的厚度越大。

在根据本发明的碳纳米纤维薄膜光热转换材料的制备方法中，在步骤3中，碳化完成后将系统冷却至室温。

根据本发明方法制得的碳纳米纤维薄膜光热转换材料，几乎在整个波长范围内都具有较低的反射率，例如在400～800nm的波长范围内，总反射率低于5％，优选低于3％，更优选低于1％。由于材料是非透明的，低反射率即意味着高吸收率。

总反射率包括两部分：镜面反射率和漫反射率。研究发现，对于本发明的碳纳米纤维薄膜，总反射率曲线与漫反射率曲线重合，说明镜面反射率≈0，全部反射均来自于漫反射。漫反射是由材料的本征特性所决定的，可以通过提高碳化程度而得以降低，例如延长碳化时间。镜面反射因样品的粗糙表面而完全消除，这一特性使得反射率与入射方向无关，更加有利于各种应用。

根据本发明制备的碳纳米纤维薄膜材料具有广泛的用途，可用于制备聚合物基纳米纤维薄膜复合材料，例如通过以下方法制得：以上述方法制备的碳纳米纤维薄膜材料为坯体，使用喷涂、浸渍或熔渗的方法，让聚合物溶液先附着在碳纳米纤维薄膜上，随后在毛细作用下，液态的聚合物溶液渗入碳纳米纤维薄膜，最终固化后成为聚合物基碳纳米纤维薄膜复合材料。所用聚合物溶液可以为聚合物单体、预聚物或聚合物的溶液。上述聚合物基纳米纤维薄膜复合材料制备方法中的喷涂、浸渍或熔渗工艺是已知的，可参见Wang Zhi，Liang Zhiyong，Wang Ben等人，Processing and Property Investigation of Single-Walled Carbon Nanotube(SWNT)Buckypaper/Epoxy Resin Matrix Nanocomposites.Composites：Part A，2004，v35(2004)，1225-1232页；代晓青，纤维预成型体中环氧树脂-固化剂反应体系流动浸渍行为研究，国防科学技术大学2010年博士论文。

产品测试

总反射率

测试方法：制备25×25×0.5mm尺寸的碳纳米纤维薄膜样品，使用日立U3200型分光光度计(Hitachi U 3200 Spectrophotometer)配合150mm汇聚球附件(150mmDia.Integrating Sphere Accessory)测试样品的总反射率(汇聚球附件窗口上安装反射体组件)。

漫反射率

测试方法：制备25×25×0.5mm尺寸的碳纳米纤维薄膜样品，使用日立U3200型分光光度计(Hitachi U 3200 Spectrophotometer)配合150mm汇聚球附件(150mmDia.Integrating Sphere Accessory)测试样品的漫反射率(汇聚球附件窗口上安装黑体组件)。

实施例1

将尺寸为25×25×0.45mm的铜片，表面用800目砂纸打磨粗糙，用水清洗干净，经测试表面粗糙度Rz值为5.528μm。图2.(a)示出预处理后的铜基体的光学照片，图2.(b)示出预处理后的铜基体的扫描电子显微镜(SEM)照片。所用铜片纯度为99.9％。

将上述基体放入热化学气象沉积设备反应腔体。抽真空使腔体内气压小于10mbar，随后加热使腔体温度升高直至250℃，在500mbar的乙炔气氛下反应1小时，生长碳基物质纳米纤维薄膜。图2.(c)示出碳基物质纳米纤维薄膜覆盖样品光学照片，图2.(d)示出碳基物质纳米纤维薄膜覆盖样品SEM照片。

将所获得的由碳基物质纳米纤维薄膜覆盖的金属基体在800℃下真空碳化10小时，形成碳纳米纤维薄膜，碳化完成后将系统冷却至室温。图2.(e)示出最终样品即碳纳米纤维薄膜覆盖样品光学照片，图2.(f)示出最终样品即碳纳米纤维薄膜覆盖样品SEM照片。

对所获得样品的总反射率进行了测试，并且与无光黑漆薄膜以及PVD多层膜吸收体进行了对比，结果如图3所示，在400nm处，从上到下依次为：PVD多层膜、无光黑漆薄膜和碳纳米纤维薄膜，结果显示碳纳米纤维薄膜吸收体几乎在整个波长范围内都具有较低的反射率。由于材料是非透明的，低反射率即意味着高吸收率。

还对样品的漫反射率进行了测试，并与总反射率曲线相比较，结果如图4所示，结果显示，碳纳米薄膜纤维的总反射曲线与漫反射曲线重合，说明镜面反射≈0，全部反射均来自于漫反射。

实施例2-5

如实施例1进行制备，区别在于由碳基物质纳米纤维薄膜覆盖的金属基体在800℃下真空碳化的时间不同，分别是0.5、1、6和8小时，并对最终获得的碳纳米纤维薄膜的总反射率进行测试，结果如图5所示，结果显示随着碳化时间的延长，碳纳米纤维薄膜的总反射率降低，低反射率即意味着高吸收率。

实施例6

将尺寸为200×25×0.45mm的铜片均匀折成10折，表面用1000目砂纸打磨粗糙，测得其表面粗糙度Rz值为4.705μm，用水清洗干净。所用铜片纯度为99.9％。

将上述基体放入热化学气象沉积设备反应腔体。抽真空使腔体内气压小于10mbar，随后加热使腔体温度升高直至300℃，向腔体内通入反应性气体甲烷，在850mbar的甲烷气氛下反应2小时，生长碳基物质纳米纤维薄膜。反应完成后停止向腔体内注入反应性气体并抽走腔体内的残余气体。

将所获得的由碳基物质纳米纤维薄膜覆盖的金属基体在900℃下真空碳化12小时，形成碳纳米纤维薄膜，碳化完成后将系统冷却至室温。

最终获得由碳纳米纤维薄膜覆盖金属基体而形成的光吸收体，如图6所示。该光吸收体具有形状灵活性，并且由于该吸收体在可见光及红外波段均具有高吸收率，从而多数的红外辐射会被对面的碳纳米纤维薄膜再次吸收，即就是说通过结构设计有效抑制了热损失。在沟槽足够深的情况下，红外辐射造成的损失将被近乎完全抑制。

实施例7

将尺寸为25×25×0.45mm的铁片，表面用800目砂纸打磨粗糙，用水清洗干净，测得其表面粗糙度Rz值为5.763μm。

将上述基体放入热化学气象沉积设备反应腔体。抽真空使腔体内气压小于10mbar，随后加热使腔体温度升高直至500℃，向腔体内通入反应性气体甲烷，在850mbar的甲烷气氛下反应4小时，生长碳基物质纳米纤维薄膜。反应完成后停止向腔体内注入反应性气体并抽走腔体内的残余气体。

将所获得的由碳基物质纳米纤维薄膜覆盖的金属基体在900℃下真空碳化12小时，形成直线型碳纳米纤维薄膜，碳化完成后将系统冷却至室温。

实施例8

将尺寸为25×25×0.45mm的铜片，表面用3微米金刚石抛光液抛光，以获得较低的表面粗糙度，测得其表面粗糙度Rz值为26.4nm，随后用水清洗干净。图7.(a)示出预处理后的铜基体的扫描电子显微镜(SEM)照片。所用铜片纯度为99.9％。

将上述基体放入热化学气象沉积设备反应腔体。反应温度为250℃，在500mbar的乙炔气氛下反应1小时，生长碳基物质纳米螺旋纤维薄膜。将所获得的由碳基物质纳米螺旋纤维薄膜覆盖的金属基体在800℃下真空碳化10小时，形成碳纳米螺旋纤维薄膜，碳化完成后将系统冷却至室温。图7.(b)示出最终样品即碳纳米螺旋纤维薄膜覆盖样品SEM照片。

Claims (10)

1.一种碳纳米纤维薄膜光热转换材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：提供金属基体，并对该金属基体表面进行预处理，使得金属基体表面粗糙度Rz值为5nm以上，所述金属选自：铜(Cu)及铜合金，过渡金属及其合金；

步骤2：将预处理过的金属基体放入热化学气相沉积设备的反应腔体中，在0-5000mBar的气压下，当金属基体为铜或铜合金时在180-450℃的温度下或者当金属基体为过渡金属及其合金时在350-850℃的温度下，充入反应性气体进行化学气相沉积，在金属基体表面生长碳基物质纳米纤维薄膜；

步骤3：在500-900℃的高温下，将所生成的碳基物质纳米纤维薄膜在真空下或保护性气体气氛下碳化，得到碳纳米纤维薄膜光热转换材料；

粗糙度Rz值通过采用原子力显微镜(AFM)作为测试设备，在非接触模式下测得，适用于粗糙度小于1μm的情况下；或者通过采用3D激光显微镜测得，适用于粗糙度大于1μm的情况下，

当金属基体表面粗糙度Rz值为5nm-50nm时，得到螺旋型碳纳米纤维，当金属基体表面粗糙度高于50nm时，得到直线型碳纳米纤维。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述保护性气体为氮气和/或氩气，

所述过渡金属及其合金为铁(Fe)、钴(Co)以及含有铁(Fe)、钴(Co)元素的合金。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，当金属基体表面粗糙度Rz值为10nm-50nm时，获得螺旋型纳米纤维；当金属基体表面粗糙度高于50nm且低于或等于10μm时，获得直线型碳纳米纤维。

4.根据权利要求1所述的方法，在步骤1中，金属基体表面进行预处理包括形状加工、机械打磨、喷砂、机械抛光或电解抛光。

5.根据权利要求1所述的方法，在步骤2中，反应性气体为烃类物质。

6.根据权利要求5所述的方法，在步骤2中，反应性气体为乙炔或甲烷。

7.根据权利要求1或4所述的方法，在步骤2中，在500-1000mBar的气压下进行化学气相沉积。

8.根据权利要求1或4所述的方法，当金属基体为铜或铜合金时，在步骤2中，在200-300℃的温度下，进行化学气相沉积；在步骤3中，在800-900℃的高温下，将所生成的碳基物质纳米纤维薄膜在真空下或保护性气体气氛下碳化，得到碳纳米纤维薄膜光热转换材料。

9.根据权利要求8所述的方法，当金属基体为铜或铜合金时，在步骤2中，在230-280℃的温度下，进行化学气相沉积；在步骤3中，在800-850℃的高温下，将所生成的碳基物质纳米纤维薄膜在真空下或保护性气体气氛下碳化，得到碳纳米纤维薄膜光热转换材料。

10.一种碳纳米纤维薄膜光热转换材料，其由权利要求1所述的方法制备，该方法包括以下步骤：

步骤1：提供金属基体，并对该金属基体表面进行预处理，使得金属基体表面粗糙度Rz值为5nm以上，所述金属选自：铜(Cu)及铜合金，过渡金属及其合金；

步骤2：将预处理过的金属基体放入热化学气相沉积设备的反应腔体中，在0-5000mBar的气压下，当金属基体为铜或铜合金时在180-450℃的温度下或者当金属基体为过渡金属及其合金时在350-850℃的温度下，充入反应性气体进行化学气相沉积，在金属基体表面生长碳基物质纳米纤维薄膜；

步骤3：在500-900℃的高温下，将所生成的碳基物质纳米纤维薄膜在真空下或保护性气体气氛下碳化，得到碳纳米纤维薄膜光热转换材料；

粗糙度Rz值通过采用原子力显微镜(AFM)作为测试设备，在非接触模式下测得，在适用于粗糙度小于1μm的情况下，或者通过采用3D激光显微镜测得，在适用于粗糙度大于1μm的情况下，

当金属基体表面粗糙度Rz值为5nm-50nm时，得到螺旋型碳纳米纤维，当金属基体表面粗糙度高于50nm时，得到直线型碳纳米纤维；

所述过渡金属及其合金为铁(Fe)、钴(Co)以及含有铁(Fe)、钴(Co)元素的合金。