CN105562307B - 一种辐射板、制备工艺及红外标准辐射装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种辐射板、制备工艺及红外标准辐射装置，所述辐射板包括紫铜板基板和基板上喷涂的以掺杂6～10％碳纳米管的SiO2溶胶为底层，以掺杂6～10％碳纳米管的SiO2‑PbO溶胶为顶层的双层涂层；所述辐射板制备方法包括：1)将紫铜板表面加工成粗糙表面并喷砂；2)在紫铜板的粗糙表面上喷涂溶胶底层至完全覆盖紫铜板表面；3)在底层涂层的基础上喷涂顶层涂层，4)在常温下稳定24h；所述红外标准辐射装置使用所述辐射板。该装置具有较高的发射率、较好的温度均匀性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及红外辐射测量与校准技术领域，尤其涉及一种辐射板、制备工艺及红外标准辐射装置。
背景技术
针对民用森林防火、军用红外成像导引头、红外热像仪、舰船、飞机、对地观测、深空探测、载人航天等搭载的红外相机、红外辐射计等红外成像载荷应用越来越多，相应的辐射量值定标设备的需求也越来越多，在辐射定标及性能测试过程中要减少周围环境的影响、保证辐射定标的精度和性能测试的可靠性及良好的均匀性校正。
在红外定标设备中，辐射板是核心部件，辐射板的发射率、稳定性、均匀性等性能直接影响红外标定设备的准确性和探测水平。近年来，随着红外技术的发展，对标定设备的性能指标的要求也越来越高，对辐射板的要求也越来越高，因此有必要进行高发射率、高温度稳定性和均匀性，同时具备宽温度范围、大面积辐射的辐射板进行研究，进而研究更先进的红外标准辐射源装置，提升红外成像载荷的探测水平。
本发明辐射板采用在基板上涂覆高发射率涂层来制备，高发射率涂层采用在SiO2溶胶和SiO2-PbO溶胶双层涂层(SiO2溶胶为底层、SiO2-PbO溶胶为顶层)中掺杂一定量的碳纳米管，充分利用碳纳米管的多孔结构大幅提高涂层的发射率。理论上碳纳米管含量越高，涂层发射率越高，但是过高的碳纳米管含量会影响涂层与本体材料的结合力，因此本发明通过大量实验研究提供一种掺杂适合含量碳纳米管的SiO2溶胶/SiO2-PbO溶胶的双层涂层的辐射板将会是巨大的技术进步。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种辐射板、制备工艺及红外标准辐射装置，该装置具有高发射率、温度稳定性和均匀性。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明一种辐射板，包括紫铜板基板和基板上喷涂的双层涂层，其中底层为SiO2溶胶，顶层为SiO2-PbO溶胶，所述SiO2溶胶和所述SiO2-PbO溶胶均掺杂有碳纳米管，
所述SiO2溶胶掺杂6～10％重量百分比的所述碳纳米管，
所述SiO2-PbO溶胶掺杂6～10％重量百分比的所述碳纳米管。
对本发明掺杂碳纳米管的选择说明：
选择碳纳米管原因有：一是碳纳米管具有高发射率，C-C键的发射率高达0.95；二是碳纳米管能够大幅提高涂层表面的粗糙度，对提高材料表面发射率非常有利；三是碳纳米管给涂层内部提供的大量的红外反射界面，涂层内部更多次的红外反射使得涂层的结构更加接近理想黑体模型。将其稳固牢靠的附着在辐射面表面，并能较长时间的稳定工作，对红外辐射源的表面发射率提高起到一定的作用。
选择SiO2溶胶为底层、SiO2-PbO为顶层的双层涂层主要基于以下原因：
SiO2涂层与基板的结合力较差，并且其表面会形成一些通孔，影响涂层的发射率，因此需要在表面涂覆顶层来进行封孔和提高涂层的结合力。由于SiO2-PbO的发射率很高，本身是玻璃粉末，与陶瓷层结合良好，因此SiO2溶胶底层上喷涂SiO2-PbO溶胶顶层能够解决SiO2涂层高温条件下膜基结合力不足的问题，同时底层热解放出的气体又能够在顶层形成多孔结构，多孔结构可以在不增加重量的前提下提高涂层内部的反射界面总量，使涂层获得更高的发射率。
本发明一种辐射板的制备工艺，具体包括以下步骤：
1)将紫铜板表面喷砂加工成粗糙表面；
2)在SiO2溶胶里掺杂6～10％的碳纳米管，混合均匀后喷涂在所述紫铜板的粗糙表面上，至完全覆盖所述粗糙表面，厚度不低于10μm，常温下自然干燥，作为涂层底层；
3)在SiO2-PbO溶胶中掺杂6～10％碳纳米管，混合均匀后喷涂在所述涂层底层上，喷涂次数为5～10次，每层喷涂厚度为3～10μm；
4)在常温下稳定24h，完成所述辐射板制备。
对本发明辐射板制备工艺的说明：
本发明涂层厚度选择的说明：物质的发射率与其厚度形状没有任何关系，但是一个具体的物体的发射率则不然。一般来说，在涂层达到一定的厚度时，厚度对涂层的发射率没有影响，但是厚度很小时，涂层的透过率就会提高，从而明显降低了发射率，同时也会增加实现的难度，一般高发射率涂层的厚度超过3μm时就可近似把涂层看作是不透明的，所以本发明初步考虑将每层的厚度都控制在3μm以上。为了降低底层加工难度，本发明涂层底层厚度控制为不低于10μm；此外为了保证顶层涂层的流动性，使表面形貌改变更加显著，顶层每层的厚度不超过10μm，因此顶层每层的厚度控制在3～10μm。
本发明选择碳纳米管的含量为6～10％，原因主要有：
碳纳米管的发射率要远远高于SiO2等本体材料，并且涂层的发射率跟每个组分的发射率十分相关，所以碳纳米管的含量越高，最终获得的碳纳米管掺杂的涂层的发射率就越高。但是SiO2与碳纳米管的结合都是弱结合，所以碳纳米管的掺杂会破坏SiO2涂层的结合力，造成涂层的开裂甚至脱落。因此碳纳米管的含量必须在有限的范围内掺杂，其极限就是刚好不破坏SiO2网络结构，因此为了尽量提高碳纳米管掺杂量并且可保证碳纳米管掺杂涂层可涂覆、制备，本发明选择碳纳米管的含量为6～10％，优选为8％。
辐射板表面的微观形貌对物体的发射率有很大的影响，本发明所选择的辐射基板为紫铜板，虽未经过特殊抛光，但其自身表面粗糙度很低，金属的发射率又普遍很低，所以其发射率就会处于一个比较低的水平。从理论分析来看，紫铜辐射基板本身的发射率很低，这主要是由于其反射率太高造成的，因为基板的厚度是毫米级别，红外射线很难穿过。若基板的粗糙度很低，则反射率较高、发射率较低，到达涂层和基板界面的少量电磁波就会较多地被反射回高发射率涂层，然后在高发射率涂层中被消耗；若基板的粗糙度很高，则反射率较低、发射率较高，到达涂层和基板界面的少量电磁波就会较多地被吸收，在界面处就基本被消耗。所以，基板的粗糙度对发射率有一定的影响，因此辐射基板上喷砂，将其设计加工为粗糙表面。
本发明一种包括上述辐射板的红外标准辐射装置，包括升温系统和控温系统，其中所述升温系统周围设置有外壳，所述升温系统包括：加热片、安装在所述加热片两侧的热沉板和辐射板，其中所述辐射板上安装有温度传感器，实时感应所述辐射板的温度，在所述辐射板对面位置的外壳上开设有与所述辐射板同中心线的孔，所述辐射板喷涂涂层的一侧朝向所述孔，所述辐射板通过所述孔向外辐射红外波段的能量；
控温系统分别与所述温度传感器和所述加热片连接，形成控温回路，实现对所述辐射板温度的调控，并将所述辐射板的温度稳定在装置设定温度。
进一步地，所述控温系统包括相互连接的控温仪和程控电源，其中所述控温仪与所述升温系统的温度传感器连接，接受所述辐射板实时温度信号，所述程控电源与所述升温系统的加热片连接，控制所述加热片的能量输出，所述控温系统与所述升温系统形成所述控温回路。
进一步地，所述控温回路的具体控温过程为：所述温度传感器将所述辐射板的实时温度传输给所述控温仪，控温仪将辐射板的温度与装置设定温度做差比较运算，然后进行PID运算，得出控温信号，并将所述控温信号传输给所述程控电源，控制所述程控电源向所述加热片的输出功率，使所述辐射板温度稳定在所述装置设定温度。
进一步地，所述热沉板底端通过隔热层直立固定在所述外壳的底板上，所述辐射板与所述热沉板相互平行的通过螺钉固定在一起，其中所述辐射板与所述热沉板之间留有缝隙，所述加热片安置在所述辐射板和热沉板之间的所述缝隙中，并通过所述辐射板与所述热沉板的夹紧力固定。
进一步地，所述热沉板与所述辐射板同材质，使所述加热片两侧的散热状态相同，保证所述加热片向所述辐射板及热沉板稳定散热，从而保证辐射板较高的温度稳定性。
进一步地，所述辐射板靠近外壳一侧中心处开设有小孔，所述温度传感器安装于所述小孔中。
进一步地，所述升温系统还包括散热片和风扇，其中所述散热片固定安装在所述热沉板另一侧，在与所述散热片相对的所述外壳的壳体上安装有风扇，使热沉板的热量快速散发，保证装置的稳定性。
进一步，所述控温仪与通信接口连接，实现通信功能。
本发明有益效果如下：
本发明利用在SiO2溶胶/SiO2-PbO溶胶双层涂层中掺杂6～10％的碳纳米管，提供了一种发射率大于0.96的辐射板，不仅增加辐射板中涂层与基板的附着力，保证了辐射板良好的长期热稳定性和可靠性，形成高发射率、温度稳定性和均匀性，同时具备宽温度范围、大面积辐射的标准辐射板，并使用该辐射板提供了一种红外标准辐射装置，该红外标准辐射源有效辐射面尺寸达为90mm×90mm，有效发射率大于0.96，最高工作温度能达到350K，同时其温度均匀性优于0.2K，温度稳定性优于0.1K。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明红外标准辐射装置的总体结构图；
图2为本发明红外标准辐射装置的结构左视图；
图3为本发明红外标准辐射装置的工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本发明提供一种辐射板，以紫铜板为基板，所述基板上喷涂双层涂层，底层为SiO2溶胶，顶层为SiO2-PbO溶胶，其中所述SiO2溶胶掺杂8％重量百分比的所述碳纳米管，所述SiO2-PbO溶胶掺杂8％重量百分比的所述碳纳米管。
该辐射板的制备步骤如下：
1)将紫铜板加工成140×140mm尺寸，然后在表面喷砂加工成粗糙表面；
2)在SiO2溶胶里掺杂8％的碳纳米管，混合均匀后喷涂在所述紫铜板的粗糙表面上，至完全覆盖所述粗糙表面，厚度为15μm，常温下自然干燥，作为涂层底层；
3)在SiO2-PbO溶液中掺杂8％碳纳米管，混合均匀后喷涂在所述涂层底层上，喷涂次数为7，每层喷涂厚度为5μm；
4)在常温下稳定24h，完成辐射板制备。
使用该辐射板制备一种红外标准辐射装置，包括：包括升温系统和控温系统，其中所述升温系统周围设置有外壳，所述升温系统包括：加热片、安装在所述加热片两侧的热沉板和辐射板，其中所述辐射板上安装有温度传感器；控温系统分别与所述温度传感器和所述加热片连接，形成控温回路，实现对所述辐射板温度的调控，并将所述辐射板的温度稳定在装置设定温度。
其中所述热沉板通过隔热层用螺钉直立的固定在所述外壳的底板上，所述辐射板与所述热沉板相互平行的通过螺钉固定在一起，其中所述辐射板与所述热沉板之间留有缝隙，所述加热片安置在所述辐射板和热沉板之间的缝隙中，并通过辐射板与热沉板的夹紧力固定，此外所述辐射板、加热片和热沉板的中心线在同一直线上。
所述辐射板靠近外壳的一侧中心处开设有小孔，所述温度传感器固定安装在所述小孔用于实时感应辐射板的温度，并传输给控温系统。
所述控温系统包括控温仪和程控电源，温度传感器、控温仪、程控电源和加热片依次相连形成一个控温回路，具体控温过程为：所述温度传感器将所述辐射板的实时温度传输给所述控温仪，控温仪将辐射板的温度与装置设定温度做差比较运算，然后进行PID运算，得出控温信号，并将所述控温信号传输给所述程控电源，控制所述程控电源向所述加热片的输出功率，使所述辐射板温度稳定在所述装置设定温度。
所述热沉板与所述辐射板同材质为紫铜板，且所述热沉板尺寸大于所述辐射板，保证所述加热片两侧的散热状态相同，使所述加热片向所述辐射板和热沉板稳定均匀散热，保证辐射板较高的温度稳定性；
辐射板喷涂涂层的一侧对面的外壳上开设有90×90mm的孔，所述孔与所述辐射板的中心线在同一直线上，保证所述孔正好与所述辐射板中央区域相对，所述辐射板中央区域受热均匀，能够向外稳定均匀的辐射红外。
在所述热沉板的另一侧安装有散热片，与散热片相对的所述外壳上安装有风扇，所述风扇正好与所述散热片相对，将装置中的热量尽快散发。
所述控温仪还连接有485接口，实现通信功能。
使用时，先给装置输入一设定温度，此时辐射板温度较低，控温仪接收温度传感器传出的信号并与装置设定温度做差比较运算，然后进行PID运算，得出控温信号，并将所述控温信号传输给所述程控电源，增加所述程控电源向所述加热片的输出功率，对加热片进行加热，加热片产生热量后会传递给辐射板和热沉板，其中热沉板的热量被散热片和风扇散发掉，辐射板接收热量后，温度升高；温度传感器将辐射板的实时温度连续的输送给控温仪，控温仪不断的进行调控，直至直至辐射板温度与设定温度一致，PID调节达到动态平衡状态，辐射板能够在设定值温度下稳定工作
本发明实施例提供了一种辐射板、制备方法及红外标准辐射装置，利用在SiO2溶胶/SiO2-PbO溶胶双层涂层中掺杂6～10％的碳纳米管，不仅具有高的发射率、温度均匀性和稳定性，同时可以根据此发明的内容将该技术扩展到更大辐射面积、更宽温度范围的红外辐射源上加以应用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种辐射板，包括紫铜板基板和基板上喷涂的双层涂层，其中底层为SiO2溶胶，顶层为SiO2-PbO溶胶，其特征在于，所述SiO2溶胶和所述SiO2-PbO溶胶均掺杂碳纳米管，
所述SiO2溶胶掺杂6～10％重量百分比的所述碳纳米管，
所述SiO2-PbO溶胶掺杂6～10％重量百分比的所述碳纳米管。
2.一种如权利要求1所述辐射板的制备工艺，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)将紫铜板表面喷砂加工成粗糙表面；
2)在SiO2溶胶里掺杂6～10％的碳纳米管，混合均匀后喷涂在所述紫铜板的粗糙表面上，至完全覆盖所述粗糙表面，厚度不低于10μm，常温下自然干燥，作为涂层底层；
3)在SiO2-PbO溶胶中掺杂6～10％碳纳米管，混合均匀后喷涂在所述涂层底层上，喷涂次数为5～10次，每次喷涂厚度为3～10μm；
4)在常温下稳定24h，完成所述辐射板制备。
3.一种包括权利要求1所述的辐射板的红外标准辐射装置，其特征在于，包括升温系统和控温系统，其中所述升温系统周围设置有外壳，所述升温系统包括：加热片、安装在所述加热片两侧的热沉板和辐射板，其中所述辐射板上安装有温度传感器，实时感应所述辐射板的温度，在所述辐射板对面位置的外壳上开设有与所述辐射板同中心线的孔，所述辐射板喷涂涂层的一侧朝向所述孔，所述辐射板通过所述孔向外辐射红外波段的能量；
控温系统分别与所述温度传感器和所述加热片连接，形成控温回路，实现对所述辐射板温度的调控，并将所述辐射板的温度稳定在装置设定温度。
4.根据权利要求3所述的辐射装置，其特征在于，所述控温系统包括相互连接的控温仪和程控电源，其中所述控温仪与所述升温系统的温度传感器连接，接受所述辐射板实时温度信号，所述程控电源与所述升温系统的加热片连接，控制所述加热片的能量输出，所述控温系统与所述升温系统形成所述控温回路。
5.根据权利要求4所述的辐射装置，其特征在于，所述控温回路的具体控温过程为：所述温度传感器将所述辐射板的实时温度传输给所述控温仪，控温仪将辐射板的温度与装置设定温度作差比较运算，然后进行PID运算，得出控温信号，并将所述控温信号传输给所述程控电源，控制所述程控电源向所述加热片的输出功率，使所述辐射板温度稳定在所述装置设定温度。
6.根据权利要求3所述的辐射装置，其特征在于，所述热沉板底端通过隔热层直立固定在所述外壳的底板上，所述辐射板与所述热沉板相互平行的通过螺钉固定在一起，其中所述辐射板与所述热沉板之间留有缝隙，所述加热片安置在所述辐射板和热沉板之间的所述缝隙中，并通过所述辐射板与所述热沉板的夹紧力固定。
7.根据权利要求3所述的辐射装置，其特征在于，所述热沉板与所述辐射板同材质。
8.根据权利要求3所述的辐射装置，其特征在于，所述辐射板靠近外壳一侧中心处开设有小孔，所述温度传感器安装于所述小孔中。
9.根据权利要求4所述的辐射装置，其特征在于，所述升温系统还包括散热片和风扇，其中所述散热片固定安装在所述热沉板另一侧，在与所述散热片相对的所述外壳的壳体上安装有风扇；
所述控温仪与通信接口连接。
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