CN110031104A - 面源黑体 - Google Patents

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CN110031104A CN201810026973.0A CN201810026973A CN110031104A CN 110031104 A CN110031104 A CN 110031104A CN 201810026973 A CN201810026973 A CN 201810026973A CN 110031104 A CN110031104 A CN 110031104A
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魏洋
王广
范守善
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Abstract

本发明涉及一种面源黑体，该面源黑体包括一面板，所述面板具有两表面，将所述面板的两个表面分别定义为第一表面和第二表面，其中，所述面板的第一表面设置有一层黑漆和多个碳纳米管，所述多个碳纳米管的一端浸没在所述黑漆中，另一端远离所述黑漆，且所述多个碳纳米管的延伸方向基本垂直于所述面板的第一表面。本发明提供的面源黑体具有较高的发射率和较长的使用寿命。

Description

面源黑体
技术领域
本发明涉及一种黑体辐射源，尤其涉及一种面源黑体。
背景技术
随着红外遥感技术的快速发展，红外遥感被广泛应用于军事领域和地球勘探、天气预报、环境监测等民用领域。然而所有的红外探测仪器都需要经过黑体标定后方可使用，黑体作为标准辐射源，其作用日益突出，黑体的发射率越高，其标定红外探测仪器的精度越高。黑体包括腔式黑体和面源黑体两种。其中，面源黑体的有效发射率主要取决于面源黑体的面型结构和表面材料的发射率。因此，选择高发射率的表面材料，对获得高性能的面源黑体具有重要的意义。
发明内容
确有必要提供一种面源黑体，该面源黑体的表面材料为碳纳米管材料，该面源黑体具有高的发射率。
一种面源黑体，包括一面板，所述面板具有两个表面，将所述面板的两个表面分别定义为第一表面和第二表面，其中，所述面板的第一表面设置有一层黑漆和多个碳纳米管，所述多个碳纳米管的一端浸没在所述黑漆中，另一端远离所述黑漆，且所述多个碳纳米管的延伸方向基本垂直于所述面板的第一表面。
与现有技术相比，本发明提供的面源黑体包括一面板，所述面板的表面设置有多个碳纳米管，所述多个碳纳米管之间的微小间隙能够阻止射进来的光从面板表面反射出去，以碳纳米管材料为标准辐射源材料，该面源黑体具有较高的发射率；此外，所述面板的表面还设置有一层黑漆，所述黑漆既是一种高发射率的材料，能够进一步提高所述面源黑体的发射率，又可以作为一种粘结剂，将所述多个碳纳米管紧紧地固定于所述面板的表面，提高所述面源黑体的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的面源黑体的剖面结构面示意图。
图2为本发明实施例二提供的面源黑体的剖面结构面示意图。
图3为本发明实施例三提供的面源黑体的剖面结构示意图。
图4为本发明实施例四采用的面板的剖面结构示意图。
图5为本发明实施例四提供的面源黑体的剖面结构示意图。
主要元件符号说明
面源黑体 10，20，30，40
面板 101，201，301，401
第一表面 102，202，302，402
第二表面 103，203，303，403
黑漆 104，204，304，404
碳纳米管 105，205，305，405
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图及具体实施例详细说明本技术方案所提供的面源黑体。
本发明提供一种面源黑体，所述面源黑体包括一面板，所述面板具有两个表面，将所述面板的两个表面分别定义为第一表面和第二表面，其中，所述面板的第一表面设置有一层黑漆和多个碳纳米管，所述多个碳纳米管的一端浸没在所述黑漆中，另一端远离所述黑漆，且所述多个碳纳米管的延伸方向基本垂直于所述面板的第一表面。
所述面板由耐高温、并具有较高发射率的材料制成，具体地，所述面板可以由硬铝材料、铝合金材料或无氧铜制成。
所述黑漆选用高发射率的黑漆，如Pyromark 1200黑漆(发射率为0.92)、NextelVelvet 811-21黑漆(发射率为0.95)等。所述黑漆的厚度不可太小亦不可过大，可以理解，所述黑漆的厚度太小时，所述多个碳纳米管靠近所述黑漆的一端不能浸没在所述黑漆中，使得所述多个碳纳米管与所述黑漆之间的结合力较弱，所述多个碳纳米管不能牢固地固定于所述面板的第一表面；所述黑漆的厚度过大时，使所述多个碳纳米管包埋在所述黑漆中，从而将破坏所述多个碳纳米管的结构，不能发挥碳纳米管材料高发射率的优良性能。所述黑漆的厚度只需保证所述多个碳纳米管的一端能够浸没在所述黑漆中且所述多个碳纳米管的另一端远离所述黑漆即可，所述黑漆的厚度为1微米～300微米，优选地，所述黑漆的厚度为10微米～150微米。
所述面板的第一表面可以设置有一碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列包括多个碳纳米管，且该多个碳纳米管的延伸方向基本垂直于所述面板的第一表面。优选地，该多个碳纳米管远离所述黑漆的一端均开口。
进一步地，所述面源黑体还包括一加热元件，所述加热元件设置于所述面板的第二表面。所述加热元件可以是现有技术中的用于面源黑体的加热元件，也可以是一碳纳米管结构。优选地，所述加热元件包括一碳纳米管结构及设置于所述碳纳米管结构表面的第一电极及第二电极，所述碳纳米管结构包括至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管长线，所述碳纳米管结构包括多个首尾相连且沿同一择优取向排列的碳纳米管，该碳纳米管结构中的多个碳纳米管沿着第一电极向第二电极的方向延伸。
通过第一电极和第二电极给所述碳纳米管结构通电，该碳纳米管结构可以对所述面板进行整体加热，使得所述面板表面的温场均匀分布，可提高面源黑体的温度稳定性和均匀性；所述碳纳米管结构具有较低的电阻，且碳纳米管的电热转换效率高，热阻率低，采用碳纳米管结构加热所述面板具有升温迅速、热滞后小、热交换速度快的特点；碳纳米管材料密度小、重量轻，采用该碳纳米管结构为加热元件，可使面源黑体具有更轻的重量，使用方便；碳纳米管材料具有较好的韧性，采用该碳纳米管结构为加热元件的面源黑体具有较长的使用寿命。
请参阅图1，本发明实施例一提供一种面源黑体10，该面源黑体包括一面板101，所述面板101具有两表面，将所述面板101的两个表面分别定义为第一表面102和第二表面103，其中，所述面板101的第一表面102设置有一层黑漆104和多个碳纳米管105，所述多个碳纳米管105的一端浸没在所述黑漆104中，另一端远离所述黑漆，且该多个碳纳米管105的延伸方向基本垂直于所述面板101的第一表面102。
所述面板101铝合金材料制成。所述黑漆104选用Nextel Velvet 811-21黑漆，所述黑漆的厚度为150微米。所述多个碳纳米管105远离所述黑漆104的一端均开口。所述面源黑体10还包括一加热元件(图未示)，所述加热元件设置于所述面板101的第二表面103，所述加热元件包括一碳纳米管结构及设置于所述碳纳米管结构表面的第一电极和第二电极。
本发明实施例一还提供一种所述面源黑体10的制备方法，其具体包括以下步骤：
S11，提供一面板101，所述面板101具有第一表面102和第二表面103；
S12，在所述面板101的第一表面102上涂上一层黑漆104；
S13，在所述面板101的第一表面102形成多个碳纳米管105，使所述多个碳纳米管105的一端浸没在所述黑漆104中，另一端远离所述黑漆104，且所述多个碳纳米管的延伸方向基本垂直于所述面板101的第一表面102。
在步骤S11中，所述面板101的材料为铝合金材料。
在步骤S12中，可以采用喷涂、旋涂或刮涂的方式在所述面板101的第一表面102形成一层黑漆104。所述黑漆104选用Nextel Velvet 811-21黑漆，所述黑漆的厚度为150微米。
在步骤S13中，可以采用转移法在所述面板101的第一表面102形成多个碳纳米管105，具体包括以下步骤：
S131，提供一基底，所述基底表面生长有一碳纳米管阵列；
S132，将所述碳纳米管阵列转移至所述面板101的第一表面102。
在步骤S131中，可以预先采用化学气相沉积法在所述基底的表面生长一碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列包括多个碳纳米管105，所述碳纳米管阵列靠近所述基底的一端为所述碳纳米管阵列的顶端，所述碳纳米管阵列远离所述基底的一端为所述碳纳米管阵列的底端。
在步骤S132中，将所述表面生长有碳纳米管阵列的基底倒置，使所述碳纳米管阵列的顶端与所述面板101表面的黑漆104接触，并缓慢地浸没在黑漆104中，然后轻轻按压所述基底，并移动所述基底或所述面板101中的至少一方，使所述基底与所述面板101相远离，从而将所述碳纳米管阵列转移至所述面板101的第一表面102。
在转移所述碳纳米管阵列的过程中，所述碳纳米管阵列的底端与所述基底分离而开口，使得所述碳纳米管阵列中的多个碳纳米管105远离所述黑漆104的一端开口。
待在所述面板101的第一表面102形成多个碳纳米管105后，可以采用自然晾干的方法使所述黑漆104固化，将所述多个碳纳米管105紧紧地固定于所述面板101的第一表面102，所述面板101、所述黑漆104及所述多个碳纳米管105形成一个稳定的整体结构。
请参阅图2，本发明实施例二提供一种面源黑体20。本发明实施例二提供的面源黑体20与本发明实施例一提供的面源黑体10基本相同，其区别在于，本发明实施例二提供的面源黑体20中，所述多个碳纳米管205在所述面板201的第一表面202的分布形成一图案。
所述多个碳纳米管205在所述面板表面的分布形成一图案，即所述面板201第一表面202的部分区域设置有所述多个碳纳米管205，且该多个碳纳米管205的延伸方向基本垂直于所述面板201的第一表面202。所述图案的形状和位置不限。将所述设置有多个碳纳米管205的区域的面积与未设置有多个碳纳米管205的区域的面积之比定义为占空比，所述占空比可以为1:9～9:1。
本发明实施例二还提供一种所述面源黑体20的制备方法，其具体包括以下步骤：
S21，提供一面板201，所述面板201具有第一表面202和第二表面203；
S22，在所述面板201的第一表面涂上一层黑漆204；
S23，在所述面板201的第一表面202的部分区域形成多个碳纳米管205，所述多个碳纳米管205的一端浸没在所述黑漆204中，另一端远离所述黑漆204。
步骤S21的具体操作方法与步骤S11相同，在此不作详述。
步骤S22的具体操作方法与步骤S12相同，在此不作详述。
在步骤S23中，采用转移法在所述面板201的第一表面202的部分区域形成多个碳纳米管205，其具体包括以下步骤：
S231，提供一基底，所述基底表面生长有一图案化的碳纳米管阵列；
S232，将所述图案化的碳纳米管阵列转移至所述面板201的第一表面202。
在步骤S231中，所述图案化的碳纳米管阵列，即碳纳米管阵列中的多个碳纳米管在所述基底表面呈一图案分布。所述图案化的碳纳米管阵列的制备方法包括：预先在所述基底的表面上形成一具有预定图案的掩膜，该掩膜使所述基底的表面的部分区域暴露；在该暴露的区域沉积催化剂，得到一具有预定图案的催化剂薄膜；并利用化学气相沉积法在所述具有预定图案的催化剂薄膜上生长一碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列中的多个碳纳米管按该预定图案分布。
步骤S232的具体操作方法与步骤S132相同，在此不作详述。
请参阅图3，本发明实施例三提供一种面源黑体30。本发明实施例三提供的面源黑体30与本发明实施例一提供的面源黑体10基本相同，其区别在于，本发明实施例三提供的面源黑体30中，所述多个碳纳米管305远离所述黑漆304的一端形成所述多个碳纳米管305的顶表面，所述多个碳纳米管305的顶表面形成多个微结构。
所述多个微结构为多个微形槽，所述微形槽可以是环形槽、条形槽或点状槽，所述微形槽的横截面形状不限，可以为倒三角形、矩形、梯形等。
所述多个碳纳米管305的顶表面形成有多个微结构，相当于增加了面源黑体表面的粗糙度，可进一步增强所述面源黑体的发射率，获得高性能的面源黑体。
本发明实施例三还提供一种所述面源黑体30的制备方法，其具体包括以下步骤：
S31，提供一面板301，所述面板301具有第一表面302和第二表面303；
S32，在所述面板301的第一表面302上涂上一层黑漆304；
S33，在所述面板301的第一表面302形成多个碳纳米管305，使所述多个碳纳米管305的一端浸没在所述黑漆304中，另一端远离所述黑漆304，且所述多个碳纳米305管的延伸方向基本垂直于所述面板301的第一表面302；
S34，在所述多个碳纳米管305的顶表面形成多个微结构。
步骤S31、S32、S33的具体操作方法分别与步骤S11、S12、S13相同，在此不作详述。
在步骤S34中，可以采用一激光照射所述多个碳纳米管305的顶表面，从而在所述多个碳纳米管305的顶表面形成多个微结构。所述激光束入射的方向可以与所述多个碳纳米管305的表面垂直，也可以与所述多个碳纳米管305的顶表面成一定的角度，优选地，所述激光束入射的方向与所述多个碳纳米管的顶表面形成的角度为55度～90度。
激光照射过程中，由于激光束所具有的高能量被碳纳米管吸收，产生的高温将处于激光照射路径处的碳纳米管全部或部分烧蚀，从而在所述多个碳纳米管305远离所述面板的顶表面形成预定深度和宽度的凹槽。该激光束的扫描路线可预先由电脑设定，从而得到精确控制，在所述多个碳纳米管305的顶表面形成复杂的刻蚀图案。
请参阅图4和图5，本发明实施例四提供一种面源黑体40。本发明实施例四提供的面源黑体40与本发明实施例一提供的面源黑体10基本相同，其区别在于，本发明实施例四提供的面源黑体40中，所述面板401的第一表面402形成有多个相互间隔的凹槽。
所述凹槽可以为条形凹槽、环形凹槽或点状凹槽，所述凹槽的横截面形状为矩形、梯形，所述凹槽可通过铸造或刻蚀所述面板401的方法形成。本实施例中，所述凹槽为条形凹槽，所述凹槽的横截面形状为矩形。
所述凹槽具有一底表面，所述凹槽的底表面和相邻凹槽之间的区域均设置有一层黑漆404和多个碳纳米管405，所述多个碳纳米管405的一端浸没在所述黑漆404中，另一端远离所述黑漆404，且所述多个碳纳米管404的延伸方向基本垂直于所述面板401的第一表面402。
所述凹槽的侧表面可以涂有所述黑漆，也可以不涂有所述黑漆。本实施例中，所述凹槽的侧表面未涂有所述黑漆。
本发明实施例四还提供一种所述面源黑体40的制备方法，其具体包括以下步骤：
S41，提供一面板401，所述面板401具有第一表面402和第二表面403，所述面板401的第一表面402形成有多个相互间隔的凹槽；
S42，分别在所述凹槽的底表面和相邻凹槽之间的区域涂上一层黑漆404；
S43，分别在所述凹槽的底表面和相邻凹槽之间的区域形成多个碳纳米管405，并使所述多个碳纳米管405的一端浸没在所述黑漆404中，另一端远离所述黑漆404，且所述多个碳纳米管404的延伸方向基本垂直于所述面板401的第一表面402。
在步骤S41中，所述凹槽为条形凹槽，所述凹槽的横截面形状为矩形。
在步骤S42中，所述涂上一层黑漆404的方法为旋涂法、喷涂法或刮涂法。
在步骤S43中，可以采用转移法分别在所述凹槽的底表面和相邻凹槽之间的区域形成多个碳纳米管405，具体包括以下步骤：
S431，提供一基底，所述基底的表面形成有多个相互间隔的凸起，所述凸起的形状、尺寸、位置与所述面板401上的凹槽的形状、尺寸、位置相吻合，所述凸起的顶表面和相邻凸起之间的区域分别形成有多个碳纳米管，且所述多个碳纳米管的延伸方向基本垂直于所述基底的表面；
S432，将所述多个碳纳米管转移至所述面板401的第一表面402。
在步骤S431中，可以采用化学气相沉积法在所述凸起的顶表面和相邻凸起之间的区域生长多个碳纳米管。
在步骤S432中，将所述凸起顶表面上的多个碳纳米管转移至所述凹槽底表面，将相邻凸起之间区域上的多个碳纳米管转移至所述相邻凹槽之间的区域。
本发明提供的面源黑体，具有以下优点：其一，碳纳米管是目前世界上最黑的材料，碳纳米管阵列中的碳纳米管之间的微小间隙能够阻止入射进来的光从阵列表面反射出去，经测量，碳纳米管阵列的发射率高达99.6％，远远大于目前面源黑体表面材料(如Nextel Velvet 81-21黑漆的发射率为96％)的发射率；其二，碳纳米管可由高温条件下碳源气化学气相沉积制备，原材料价廉易得；其三，碳纳米管具有优异的热传导性能，采用碳纳米管阵列为面源黑体表面材料，可以提高面源黑体的温度均匀性和稳定性；其四，碳纳米管具有优异的力学性能，利用碳纳米管材料制备面源黑体将会增加面源黑体的稳定性，使得星载面源黑体在恶劣的环境下不易损坏；其五，本发明提供的面源黑体中，所述面源黑体的表面还设置有一层黑漆，所述黑漆既是一种高发射率的材料，又可以充当粘结剂将所述多个碳纳米管固定在所述面源黑体的表面，可进一步增强所述面源黑体的稳定性，延长所述面源黑体的使用寿命，提高所述面源黑体的发射率。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种面源黑体，包括一面板，所述面板具有两表面，将所述面板的两个表面分别定义为第一表面和第二表面，其特征在于，所述面板的第一表面设置有一层黑漆和多个碳纳米管，所述多个碳纳米管的一端浸没在所述黑漆中，另一端远离所述黑漆，且所述多个碳纳米管的延伸方向基本垂直于所述面板的第一表面。
2.如权利要求1所述的面源黑体，其特征在于，所述面板的第一表面的部分区域形成有所述多个碳纳米管，且所述多个碳纳米管在所述面板的第一表面按一图案分布。
3.如权利要求1所述的面源黑体，其特征在于，所述多个碳纳米管远离所述黑漆的一端形成所述多个碳纳米管的顶表面，所述多个碳纳米管的顶表面形成有多个微结构。
4.如权利要求3所述的面源黑体，其特征在于，所述多个微结构为多个微形槽。
5.如权利要求4所述的面源黑体，其特征在于，所述微形槽为环形槽、条形槽或点状槽，所述微形槽的横截面形状为倒三角形、矩形或梯形。
6.如权利要求1所述的面源黑体，其特征在于，所述黑漆的厚度为1微米～300微米。
7.如权利要求1所述的面源黑体，其特征在于，所述面板的第一表面形成有多个相互间隔的凹槽，所述凹槽的底表面和相邻凹槽之间的区域均设置有所述黑漆和所述多个碳纳米管。
8.如权利要求7所述的面源黑体，其特征在于，所述凹槽为环形凹槽、条形凹槽或点状凹槽，所述凹槽的横截面形状为矩形或梯形。
9.如权利要求1所述的面源黑体，其特征在于，所述面源黑体包括一加热元件，所述加热元件设置于所述面板的第二表面。
10.如权利要求9所述的面源黑体，其特征在于，所述加热元件包括一碳纳米管结构，所述碳纳米管结构包括多个首尾相连且沿同一方向择优取向排列的碳纳米管。
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