CN103602132A - 高光吸收材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高光吸收的黑色漆类材料，以碳纳米管为颜料，有机物为粘合剂，碳纳米管与粘合剂的重量比例为1:20至1:1之间，碳纳米管均匀分散在粘合剂中。此外，本发明还公开了利用该材料制成的涂层及涂层的制备方法及其用途。本发明基于先进的碳纳米管材料，通过激光处理后，在漆层表面形成锥体形状，光在其表面会形成多次反射制备黑色漆类涂层，该碳纳米管与粘合剂形成的复合材料，其光吸收率通常在95%以上，提高了对光的吸收。
Description
技术领域
本发明涉及宇航材料的技术领域，特别是涉及一种基于碳纳米管材料的高光吸收的涂层材料以及采用激光处理工艺进行该材料的制备工艺。
背景技术
高光吸收材料有着广泛的工程应用价值，如能量转换系统的高效吸收体和发射体、星载红外探测系统的辐射探测器、辐射测量设备的定标样、光捕捉器等等。最理想的高光吸收材料是黑体，它是一种可以吸收所有入射光而没有反射和透射现象的理想物体。然而，在实际工程应用中，黑体是不存在的，通常只能采用高光吸收的黑色漆类涂层材料作为类黑体材料应用。
首先，在高分辨的对地、对天观测遥感相机上，光路系统的内壁需要涂覆高光吸收的材料涂层，以减少杂散光对成像的影响，获得更好的成像质量。其次，高光吸收材料的漆类涂层还是航天器重要的热控涂层材料，可以用来控制航天器温度。第三，高光吸收漆类涂层还是制备热沉设备必不可少的材料，用于模拟冷黑背景。除了航天领域以外，高光吸收漆类涂层在其他领域也有着重要的作用。
虽然目前高光吸收材料已经获得很大的进展，例如在2002年，Brown等人利用化学镀方法研制出镍-磷高吸收材料的黑膜，但该膜仅能反射0.16%的光。此外，近期又发现碳纳米管阵列是理想的黑体材料。但是这类材料属于非漆类材料，与漆类材料相比工程应用难度较大，目前还没有将其制备成黑体材料的工艺。
本发明提出一种高光吸收材料的制备方法，利用碳纳米管为颜料，有机物为粘合剂，制备黑色漆类材料，并通过激光处理过程得到的涂层表面具有锥体形状的表面特性。该材料的表面特性决定了其具有较高的光吸收性能。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种碳纳米管为颜料的高光吸收材料，包括由其制备的涂层。该高光吸收材料制备的涂层表面经过激光处理后具有锥体形状的表面特性。
本发明的另一目的是提供一种碳纳米管为颜料的高光吸收材料的制备方法，该方法通过使用激光处理，使得得到的高光吸收材料的涂层具有锥体形状的表面特性，该制备方法简单，且高效。涂层的表面具有较高的表面质量。
本发明的再一目的是提供一种该涂层的应用。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种高光吸收的黑色漆类材料，以碳纳米管为颜料，有机物为粘合剂，碳纳米管与粘合剂的重量比例为1:20至1:1之间，碳纳米管均匀分散在粘合剂中。
其中，碳纳米管选用单壁碳纳米管或多壁碳纳米管，单壁碳纳米管直径在1-3nm，多壁碳纳米管的外径在5-50nm。
其中，粘合剂为树脂材料，如丙烯酸树脂。
其中，碳纳米管通过超声波对其与粘合剂的混合液进行处理以使它均匀分散在粘合剂中。
一种高光吸收的黑色漆类材料涂层，通过将上述黑色漆类材料涂覆在部件的表面形成。
其中，所述涂层在涂覆后进一步利用激光对其表面进行辐照处理，激光波长选择在近紫外波段至可见光波段，辐照在材料表面的激光能量在0.1J/cm2-5J/cm2之间。
其中，所述涂层具有锥体形状的表面，光吸收率在95％以上。
一种高光吸收的黑色漆类材料的制备方法，将碳纳米管颜料与有机物粘合剂按照重量比例为1:20至1:1进行混合，然后进行超声波分散10分钟以上将碳纳米管均匀分散在粘合剂中。
其中，粘合剂为树脂材料，如丙烯酸树脂、环氧树脂等。
一种高光吸收的黑色漆类材料涂层的制备方法，包括如下步骤：
1）将纯化后的碳纳米管粉末样品与粘合剂混合，利用超声波对混合液进行均匀分散处理，处理时间5分钟至1小时，碳纳米管与粘合剂的重量比例为1:20至1:1之间，粘合剂为树脂材料，如丙烯酸树脂；
2）将混合液涂覆在待涂覆衬底或部件的表面上，并在自然状态下晾干；
3）利用激光对涂层表面进行辐照，激光波长选择在近紫外波段至可见光波段，辐照在材料表面的激光能量在0.1J/cm2-5J/cm2之间，经过激光辐照处理后，碳纳米管复合材料漆层表面会形成锥体形状。
其中，激光辐照方向与材料涂层表面垂直。
其中，碳纳米管选用单壁碳纳米管或多壁碳纳米管，单壁碳纳米管直径在1-3nm，多壁碳纳米管的外径在5-50nm。
一种上述涂层的用途，该涂层用于能量转换系统的高效吸收体和发射体、星载红外探测系统的辐射探测器、辐射测量设备的定标样或光捕捉器中。
本发明基于先进的碳纳米管材料，通过激光处理后，在漆层表面形成锥体形状，光在其表面会形成多次反射制备黑色漆类涂层，该碳纳米管与粘合剂形成的复合材料，其光吸收率在95%以上，提高了对光的吸收。该高光吸收材料在航天领域有着重要的应用。
附图说明
图1为本发明制备的涂层在光线照射下，光线在锥体表面的多次反射示意图；
图2为本发明的高光吸收黑色漆类材料涂层的制备过程示意图。
图中：1-固化后的平整的碳纳米管复合材料涂层，2-激光束，3-经激光处理后的碳纳米管复合材料涂层。
具体实施方式
实施例1
将纯化后的直径3nm的单壁碳纳米管粉末与有机粘合剂丙烯酸树脂混合在一起，组成混合液，碳纳米管与粘合剂的重量比例为1:10，采用超声波对混合液进行分散处理30分钟，使得该混合液中单壁碳纳米管粉末均匀分散，然后将该充分分散的混合液均匀涂覆在需要涂覆材料表面上，待混合液固化后形成平整的碳纳米管复合材料涂层（1）。接着，利用激光器发射激光束（2），对上述获得的涂层表面进行辐照处理，激光波长选择在近紫外波段200nm，辐照在涂层表面的激光能量在5J/cm2，优选1小时以上，当涂层表面形貌不再变化时停止激光辐照处理。
经过激光处理后，原先平整的碳纳米管复合材料涂层表面形成了锥体结构，得到特殊表面结构的经激光处理后的碳纳米管复合材料涂层（3）。其中激光辐照方向与材料涂层表面垂直，锥体的锥体角与激光能量密度有关。通过控制激光辐照能量密度，可以改变锥体角度，从而调整涂层表面的光吸收性质。
该实施例的涂层在光线照射下，光线在锥体表面多次反射的示意图显示在图1中，该涂层的制备过程显示在图2中，通过激光辐照处理后，涂层具有锥体表面，使得光吸收率为96%。
实施例2
将纯化后的直径1nm的单壁碳纳米管粉末与有机粘合剂丙烯酸树脂混合在一起，组成混合液，碳纳米管与粘合剂的重量比例为1:20，采用超声波对混合液进行分散处理30分钟，使得该混合液中单壁碳纳米管粉末均匀分散，然后将该充分分散的混合液均匀涂覆在需要涂覆材料表面上，待混合液固化后形成平整的碳纳米管复合材料涂层（1）。接着，利用激光器发射激光束（2），对上述获得的涂层表面进行辐照处理，激光波长选择在400nm，辐照在涂层表面的激光能量在3J/cm2，优选0.5小时以上，当涂层表面形貌不再变化时停止激光辐照处理。
经过激光处理后，原先平整的碳纳米管复合材料涂层表面形成了锥体结构，得到特殊表面结构的经激光处理后的碳纳米管复合材料涂层（3）。其中激光辐照方向可以与材料涂层表面保持20-70度之间的倾斜。锥体的锥体角与激光能量密度有关。通过控制激光辐照能量密度，可以改变锥体角度，从而调整涂层表面的光吸收性质。
该实施例的涂层在光线照射下，光线在锥体表面多次反射的示意图显示在图1中，该涂层的制备过程显示在图2中，通过激光辐照处理后，涂层具有锥体表面，使得光吸收率为97%。
实施例3
将纯化后的外径10nm的多壁碳纳米管粉末与有机粘合剂丙烯酸树脂混合在一起，组成混合液，碳纳米管与粘合剂的重量比例为1:2，采用超声波对混合液进行分散处理1小时，使得该混合液中多壁碳纳米管粉末均匀分散，然后将该充分分散的混合液均匀涂覆在需要涂覆材料表面上，待混合液固化后形成平整的碳纳米管复合材料涂层（1）。接着，利用激光器发射激光束（2），对上述获得的涂层表面进行辐照处理，激光波长选择在600nm，辐照在涂层表面的激光能量在1J/cm2，优选1小时以上，当涂层表面形貌不再变化时停止激光辐照处理。
经过激光处理后，原先平整的碳纳米管复合材料涂层表面形成了锥体结构，得到特殊表面结构的经激光处理后的碳纳米管复合材料涂层（3）。其中激光辐照方向材料涂层表面保持垂直。锥体的锥体角与激光能量密度有关。通过控制激光辐照能量密度，可以改变锥体角度，从而调整涂层表面的光吸收性质。
该实施例的涂层在光线照射下，光线在锥体表面多次反射的示意图显示在图1中，该涂层的制备过程显示在图2中，通过激光辐照处理后，涂层具有锥体表面，使得光吸收率为95%。
实施例4
将纯化后的外径50nm的多壁碳纳米管粉末与有机粘合剂丙烯酸树脂混合在一起，组成混合液，碳纳米管与粘合剂的重量比例为1:1，采用超声波对混合液进行分散处理1小时，使得该混合液中多壁碳纳米管粉末均匀分散，然后将该充分分散的混合液均匀涂覆在需要涂覆材料表面上，待混合液固化后形成平整的碳纳米管复合材料涂层（1）。接着，利用激光器发射激光束（2），对上述获得的涂层表面进行辐照处理，激光波长选择在800nm，辐照在涂层表面的激光能量在3J/cm2，辐射0.5小时以上，当涂层表面形貌不再变化时停止激光辐照处理。
经过激光处理后，原先平整的碳纳米管复合材料涂层表面形成了锥体结构，得到特殊表面结构的经激光处理后的碳纳米管复合材料涂层（3）。其中激光辐照方向可以与材料涂层表面保持20-70度之间的倾斜。锥体的锥体角与激光能量密度有关。通过控制激光辐照能量密度，可以改变锥体角度，从而调整涂层表面的光吸收性质。
该实施例的涂层在光线照射下，光线在锥体表面多次反射的示意图显示在图1中，该涂层的制备过程显示在图2中，通过激光辐照处理后，涂层具有锥体表面，使得光吸收率为96%。
尽管上文对本专利的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本专利的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高光吸收的黑色漆类材料，以碳纳米管为颜料，有机物为粘合剂，碳纳米管与粘合剂的重量比例为1:20至1:1之间，碳纳米管均匀分散在粘合剂中。
2.权利要求1所述的高光吸收的黑色漆类材料，其中，碳纳米管选用单壁碳纳米管或多壁碳纳米管，单壁碳纳米管直径在1-3nm，多壁碳纳米管的外径在5-50nm。
3.权利要求1所述的高光吸收的黑色漆类材料，其中，粘合剂为树脂材料，如丙烯酸树脂、环氧树脂等。
4.权利要求1-3任一项所述的高光吸收的黑色漆类材料，其中，碳纳米管通过超声波对其与粘合剂的混合液进行处理以使它均匀分散在粘合剂中。
5.一种高光吸收的黑色漆类材料涂层，通过将权利要求1-4任一项所述的黑色漆类材料涂覆在部件的表面形成。
6.如权利要求5所述的高光吸收的黑色漆类材料涂层，其中，所述涂层在涂覆后进一步利用激光对其表面进行辐照处理，激光波长选择在近紫外波段至可见光波段，辐照在材料表面的激光能量在0.1J/cm2-5J/cm2之间。
7.一种权利要求1-3任一项所述的高光吸收的黑色漆类材料的制备方法，将碳纳米管颜料与有机物粘合剂按照重量比例为1:20至1:1进行混合，然后进行超声波分散10分钟以上将碳纳米管均匀分散在粘合剂中。
8.一种高光吸收的黑色漆类材料涂层的制备方法，包括如下步骤：
1）将纯化后的碳纳米管粉末样品与粘合剂混合，利用超声波对混合液进行均匀分散处理，处理时间5分钟至1小时，碳纳米管与粘合剂的重量比例为1:20至1:1之间，粘合剂为树脂材料，如丙烯酸树脂；
2）将混合液涂覆在待涂覆衬底或部件的表面上，并在自然状态下晾干；
3）利用激光对涂层表面进行辐照，激光波长选择在近紫外波段至可见光波段，辐照在材料表面的激光能量在0.1J/cm2-5J/cm2之间，经过激光辐照处理后，碳纳米管复合材料漆层表面会形成锥体形状，其中，激光辐照方向与材料涂层表面垂直。
9.权利要求8所述的方法，其中，碳纳米管选用单壁碳纳米管或多壁碳纳米管，单壁碳纳米管直径在1-3nm，多壁碳纳米管的外径在5-50nm。
10.一种权利要求5所述的高光吸收的黑色漆类材料涂层的用途，该涂层用于能量转换系统的高效吸收体和发射体、星载红外探测系统的辐射探测器、辐射测量设备的定标样或光捕捉器中。
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