CN110031115A - 面源黑体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种面源黑体，所述面源黑体包括一面板，该面板具有两个表面，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多个碳纳米管，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
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，所述面源黑体包括一面板，该面板具有两个表面，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多个碳纳米管，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；碳纳米管材料具有优异的力学性能，利用碳纳米管材料制备的面源黑体不易损坏，具有较长的使用寿命。
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
碳纳米管 104，204，304，404
黑色涂层 205
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，该面板具有两个表面，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多个碳纳米管，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表面的一端均开口。
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具两表面，将所述面板的两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设置有多个碳纳米管104，所述多个碳纳米管104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由铝合金材料制成。所述多个碳纳米管104远离所述面板101的第一表面102的一端开口。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具有两个表面，将所述面板的两个表面分别定义为102和103；
S12，在所述面板101的第一表面102形成多个碳纳米管104。
在步骤S11中，所述面板101由铝合金材料制成。
在步骤S12中，可以通过直接生长法和转移法所述在所述面板101的第一表面102形成多个碳纳米管104。下面将分别阐述这两种方法：
所述直接生长法为直接在所述面板101表面生长一碳纳米管阵列，其具体包括以下步骤：(1)在所述面板101的第一表面102沉积一层催化剂；(2)在保护气体的环境下，加热所述面板101的温度至碳纳米管阵列的生长温度，然后通入碳源气，在所述面板101的第一表面102生长一碳纳米管阵列。
在步骤(1)中，可以通过蒸镀、溅镀或化学沉积的方法在所述面板101的第一表面102形成一层催化剂，所述催化剂可以是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或其任意组合的合金之一。所述催化剂的厚度为1～10纳米，优选为1～5纳米。
在步骤(2)中，在保护气体的环境下，加热所述面板101至500～900℃，优选为600～720℃，然后通入碳源气与保护气体的混合气体，所述碳源气可以是乙炔、乙烯、甲烷、乙烷等，所述保护气体为惰性气体或氮气，反应10～40分钟(min)，利用化学气相沉积法在所述所述面板101的第一表面102上生长得到一碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列包括多个碳纳米管104，且该多个碳纳米管104的延伸方向垂直于所述面板101的第一表面102。
待碳纳米管阵列生长结束后，可进一步处理所述碳纳米管阵列，使所述多个碳纳米管104远离所述面板101的一端均开口，其中一种方法包括：采用激光切割所述碳纳米管阵列中的多个碳纳米管104，使所述多个碳纳米管104的顶端开口。
使所述多个碳纳米管104远离所述面板101的一端均开口的另一种方法包括：将所述面板101及生长得到的碳纳米管阵列一同浸润于液相高分子体系，使所述液相高分子完全浸润所述碳纳米管阵列；将液相高分子体系转化为固相，生成分布有碳纳米管的高分子复合材料；在靠近所述碳纳米管阵列顶端的位置处，沿平行于所述面板表面的方向切割所述高分子复合材料，使所述多个碳纳米管的顶端开口；去除高分子复合材料中的高分子材料，得到多个顶端开口的碳纳米管。
所述转移法即预先在一基底表面生长得到一碳纳米管阵列，再将所述碳纳米管阵列转移至所述面板101的第一表面102，其具体包括以下步骤：(a)，提供一基底，所述基底的表面生长有一碳纳米管阵列；(b)，将所述碳纳米管阵列转移至所述面板101的第一表面102。
步骤(a)中，所述碳纳米管阵列靠近基底表面的一端为所述碳纳米管阵列的生长端，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顶端，所述碳纳米管阵列包括多个碳纳米管，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。
步骤(b)中，将所述面板101的第一表面102与所述碳纳米管阵列的顶端接触，轻轻按压面板101，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，从而使所述碳纳米管阵列与所述基底分离并转移至所述面板101的第一表面102。
优选地，可以预先在所述面板101的第一表面102形成一粘结层或在所述碳纳米管阵列的顶端形成一粘结层，这样可以增强所述面板101的第一表面102与所述碳纳米管阵列顶端之间的结合力，使所述碳纳米管阵列更容易转移至所述面板101的第一表面102。所述粘结层的厚度应较薄，优选为1纳米～50微米，更为优选为1微米～10微米。所述粘结层的材料为传统的粘结剂材料，可以为固态、液态或固液混合的浆料或粘胶。
将所述碳纳米管阵列转移至所述面板101的第一表面102的过程中，所述碳纳米管阵列的顶端与所述面板101的第一表面102接触，所述碳纳米管阵列的生长端与所述基底分离而开口，所以不需要再采用激光照射切割法或其它处理方法使所述多个碳纳米管104远离所述面板表面的一端开口。
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的结构与本发明实施例一提供的面源黑体10的结构基本相同，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204在所述面板201的第一表面202的分布形成一图案。
所谓“图案”为所述面板201的第一表面202的部分区域设置有多个碳纳米管204，而未设置有多个碳纳米管204的区域设置有黑色涂层205。所述图案的形状和位置不限。将所述设置有多个碳纳米管的区域的面积与未设置有多个碳纳米管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。
所述黑色涂层205可以为高发射率的黑漆、掺杂有碳纳米管的黑漆或碳纳米管层状结构。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。所述掺杂有碳纳米管的黑漆中碳纳米管的含量为1％～50％。所述碳纳米管层状结构包括多个碳纳米管，所述多个碳纳米管的延伸方向基本平行于所述碳纳米管层状结构的表面，该碳纳米管层状结构包括至少一碳纳米管膜、至少一碳纳米管线或两者的组合，进一步地，该碳纳米管层状结构包括多个微孔。
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具有两个表面，将所述面板201的两个表面分别定义为第一表面202和第二表面203，将所述面板201的第一表面202划分为第一区域和第二区域；
S22，在所述面板201的第一表面202的第一区域形成多个碳纳米管204，且所述多个碳纳米管204的延伸方向基本垂直于所述面板201的第一表面202；
S23，在所述面板201的第一表面202的第二区域形成一黑色涂层205。
在步骤S21中，按照一预定图案，将所述面板201的第一表面202划分为第一区域和第二区域，所述第一区域形成多个碳纳米管204，所述第二区域形成黑色涂层205。
在步骤S22中，可以采用直接生长法或转移法在所述面板201的第一表面202的第一区域形成多个碳纳米管204，其具体操作方法与S12相同，在此不作详述。需要注意的是，当采用直接生长法时，需要采用一掩膜将所述第二区域掩盖，从而保证碳纳米管仅在所述第一区域生长。
步骤S23中，所述黑色涂层205可以为高发射率的黑漆、掺杂有碳纳米管的黑漆或碳纳米管层状结构。所述黑漆选用高发射率的黑漆，如Pyromark1200黑漆(发射率为0.92)、Nextel Velvet 811-21黑漆(发射率为0.95)等。所述掺杂有碳纳米管的黑漆中碳纳米管的含量为1％～50％。所述碳纳米管层状结构包括多个碳纳米管，所述多个碳纳米管的延伸方向基本平行于所述碳纳米管层状结构的表面。
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的结构与本发明实施例一提供的面源黑体10的结构基本相同，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304远离所述面板301的一端形成所述多个碳纳米管304的顶表面，所述多个碳纳米管304的顶表面形成有多个微结构。
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304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具有两个表面，将所述面板301的两个表面分别定义为第一表面302和第二表面303；
S32，在所述面板301的第一表面302形成多个碳纳米管304；
S33，在所述多个碳纳米管304的顶表面形成多个微结构。
在步骤S32中，可以采用直接生长法与转移法在所述面板301的第一表面302形成多个碳纳米管304，其具体操作方法与S12相同，在此不作详述。
在步骤S33中，可以采用一激光照射所述多个碳纳米管304的顶表面，从而在所述多个碳纳米管304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304的表面垂直，也可以与所述多个碳纳米管304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304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。
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的结构与本发明实施例一提供的面源黑体10的结构基本相同，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，所述凹槽的底表面及相邻凹槽之间的区域均设置有多个碳纳米管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。
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具有两个表面，将这两个表面分别定义为第一表面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形成多个碳纳米管404。
在步骤S41中，所述凹槽为条形凹槽，且所述凹槽的横截面形状为矩形。
在步骤S42中，可以采用直接生长法和转移法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。
所述直接生长法具体包括：分别在所述凹槽的底表面和相邻凹槽之间的区域沉积催化剂；在保护气体的环境下，加热所述面板401的温度至碳纳米管阵列的生长温度，然后通入碳源气，在所述凹槽的底表面生长得到一第一碳纳米管阵列及在相邻凹槽之间的区域生长得到第二碳纳米管阵列。由于第一碳纳米管阵列和第二碳纳米管阵列为一次生长碳纳米管的过程中同时制得，因此，第一碳纳米管阵列和第二碳纳米管阵列中的碳纳米管的生长时间和生长速度相同，第一碳纳米管阵列和第二碳纳米管阵列的长度大致相同。第一碳纳米管阵列的顶端和第二碳纳米管阵列的顶端具有一高度差。
所述转移法具体包括：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均生长有多个碳纳米管404，所述多个碳纳米管404的延伸方向基本垂直于所述基底的表面；将所述多个碳纳米管404转移至所述面板401的第一表面402，将所述凸起顶表面的多个碳纳米管转移至所述凹槽的底表面，将相邻凸起之间的区域上的多个碳纳米管转移至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。
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多个碳纳米管，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一部分区域设置有所述多个碳纳米管，另一部分区域设置有黑色涂层。
3.如权利要求2所述的面源黑体，其特征在于，所述黑色涂层为黑漆、掺杂有碳纳米管的黑漆或碳纳米管层状结构。
4.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面板的一端形成所述多个碳纳米管的顶表面，所述有多个碳纳米管的顶表面形成有多个微结构。
5.如权利要求4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。
6.如权利要求5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。
7.如权利要求1所述的面源黑体，其特征在于，所述面板的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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