CN110031117A - 腔式黑体辐射源以及腔式黑体辐射源的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种腔式黑体辐射源以及腔式黑体辐射源的制备方法。所述腔式黑体辐射源包括一黑体辐射腔，该黑体辐射腔具有一内表面，所述黑体辐射腔的内表面设置有一层黑漆，在所述黑漆的表面设置有碳纳米管层状结构，该碳纳米管层状结构包括多个碳纳米管，且该碳纳米管层状结构形成有多个微孔。所述腔式黑体辐射源的制备方法包括以下步骤：S21，提供一黑体辐射腔，该黑体辐射腔具有一内表面，在该内表面涂覆一层黑漆；S22，提供一支撑体，将所述碳纳米管层状结构缠绕在所述支撑体表面形成碳纳米管管状结构；S23，将所述碳纳米管管状结构插入所述黑体辐射腔内，使所述碳纳米管层状结构与所述黑体辐射腔的内表面紧密结合，并去除所述支撑体。
Description
技术领域
本发明涉及一种黑体辐射源以及黑体辐射源的制备方法，尤其涉及一种腔式黑体辐射源以及腔式黑体辐射源的制备方法。
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。其中，腔式黑体的有效发射率主要取决于黑体腔的开口大小、黑体腔的形状、黑体腔内表面材料的发射率及腔内的等温程度等诸多条件。因此，选择高发射率的腔内表面材料，对获得高性能的黑体辐射源具有重要的意义。
发明内容
确有必要提供一种具有较高发射率的腔式黑体辐射源以及腔式黑体辐射源的制备方法。
腔式黑体辐射源，包括一黑体辐射腔，该黑体辐射腔具有一内表面，所述黑体辐射腔的内表面设置有一层黑漆，在所述黑漆的表面设置有碳纳米管层状结构，该碳纳米管层状结构包括多个碳纳米管，且该碳纳米管层状结构形成有多个微孔。
腔式黑体辐射源的制备方法，其包括以下步骤：S21，提供一黑体辐射腔，该黑体辐射腔具有一内表面，在该内表面涂覆一层黑漆；S22，提供一支撑体，将所述碳纳米管层状结构缠绕在所述支撑体表面形成碳纳米管管状结构；S23，将所述碳纳米管管状结构插入所述黑体辐射腔内，使所述碳纳米管层状结构与所述黑体辐射腔的内表面紧密结合，并去除所述支撑体。
与现有技术相比，本发明提供的腔式黑体辐射源在黑体辐射腔的内表面设置有碳纳米管层状结构，该碳纳米管层状结构包括多个碳纳米管，该碳纳米管的发射率高达99.6％，所以碳纳米管层状结构的发射率也高于目前黑体空腔内壁表面材料的发射率；本发明的腔式黑体辐射源采用碳纳米管层状结构为黑体辐射腔内表面材料，在同样的空腔有效发射率要求条件下，将大大缩小黑体辐射腔的深度，有利于实现腔式黑体辐射源的小型化，适用范围广。且在所述黑体辐射腔的内表面设置有黑漆，所述碳纳米管层状结构通过所述黑漆粘附在所述黑体辐射腔的内表面，使其结合更加牢固。而且，所述腔式黑体辐射源的制备方法简单、易行。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的腔式黑体辐射源的剖面结构示意图。
图2为本发明实施例一提供的腔式黑体辐射源中碳纳米管拉膜的扫描电镜照片。
图3为本发明实施例一提供的腔式黑体辐射源中碳纳米管碾压膜中的碳纳米管沿同一方向择优取向排列的扫描电镜照片。
图4为本发明实施例一提供的腔式黑体辐射源中碳纳米管碾压膜中的碳纳米管沿不同方向择优取向排列的扫描电镜照片。
图5为为本发明实施例一提供的腔式黑体辐射源中碳纳米管絮化膜的扫描电镜照片。
图6为本发明实施例一提供的腔式黑体辐射源的制备方法的流程图。
图7为本发明实施例二提供的腔式黑体辐射源的剖面结构示意图。
图8为本发明实施例二提供的腔式黑体辐射源的制备方法的流程图。
主要元件符号说明
腔式黑体辐射源 10，20
黑体辐射腔 11，21
碳纳米管层状结构 12，22
黑漆 23
黑体腔体 110，210
黑体腔底 111，211
空洞 112，212
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发明的腔式黑体辐射源以及该腔式黑体辐射源的制备方法。
请参阅图1，本发明实施例一提供一种腔式黑体辐射源10，该腔式黑体辐射源10包括一黑体辐射腔11，该黑体辐射腔11具有一内表面，该内表面设置有碳纳米管层状结构12。所述碳纳米管层状结构12包括至少一层碳纳米管膜。
所述黑体辐射腔11由耐高温、并具有较高发射率的材料制成，具体地，所述黑体辐射腔11可以由硬铝材料、铝合金材料或无氧铜制成。所述黑体辐射腔11包括一黑体腔体110和一黑体腔底111，所述黑体腔体110和所述黑体腔底111可以为一体成型结构，也可以为两个独立的结构，但要保证所述黑体腔底111能够从所述黑体腔体110的一端开口被压入或能够旋入到所述黑体腔体110中。
所述黑体腔体110具有一空洞112，该空洞112的横截面可以为圆形、椭圆形、三角形、四边形，或者其它规则或不规则的多边形。当然，所述空洞112的底面形状不限，可以为平面、锥形面、棱柱形面以及其他规则或不规则的表面。本实施例中，所述空洞112的横截面为圆形。
进一步地，该腔式黑体辐射源10还包括一加热元件，该加热元件可以为现有技术的加热元件，也可以是利用碳纳米管结构的加热元件。
所述碳纳米管结构的加热元件包括一碳纳米管结构及间隔设置在该碳纳米管结构表面的第一电极和第二电极，其中，所述碳纳米管结构包裹或缠绕在所述黑体辐射腔11的外表面，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线，所述碳纳米管结构包括多个首尾相连且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从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，碳纳米管结构可以对黑体辐射腔11进行整体加热，使得所述黑体辐射腔内部的温场均匀分布，可以提高腔式黑体辐射源10的温度稳定性和均匀性；由于碳纳米管密度小、重量轻，采用碳纳米管结构为加热元件，可使黑体辐射源具有更轻的重量，使用方便；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黑体辐射腔具有升温迅速、热滞后小、热交换速度快的特点；碳纳米管具有较好的韧性，采用碳纳米管结构为加热元件的黑体辐射源具有较长的使用寿命。
所述碳纳米管层状结构12中的碳纳米管膜包括碳纳米管拉膜、碳纳米管碾压膜或碳纳米管絮化膜。也就是说，所述碳纳米管层状结构12可以是碳纳米管拉膜、碳纳米管碾压膜、碳纳米管絮化膜或者是碳纳米管拉膜、碳纳米管碾压膜以及碳纳米管絮化膜中两种或者两种以上膜相互叠加形成的膜。
所述碳纳米管拉膜是从超顺排碳纳米管阵列中直接拉取获得，有关拉取的方法请参见范守善等人于2007年2月9日申请的，于2008年8月13日公开的第CN101239712A号中国公开专利申请“碳纳米管膜结构及其制备方法”。为节省篇幅，仅引用于此，但上述申请所有技术揭露也应视为本发明申请技术揭露的一部分。
请参阅图2，所述碳纳米管拉膜是由若干碳纳米管组成的自支撑结构。所述若干碳纳米管为沿同一方向择优取向排列。所述择优取向是指在碳纳米管拉膜中大多数碳纳米管的整体延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多数碳纳米管的整体延伸方向基本平行于碳纳米管拉膜的表面。进一步地，所述碳纳米管拉膜中多数碳纳米管是通过范德华力首尾相连。具体地，所述碳纳米管拉膜中基本朝同一方向延伸的大多数碳纳米管中每一碳纳米管与在延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连。当然，所述碳纳米管拉膜中存在少数随机排列的碳纳米管，这些碳纳米管不会对碳纳米管拉膜中大多数碳纳米管的整体取向排列构成明显影响。
具体地，所述碳纳米管拉膜中基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管，并非绝对的直线状，可以适当的弯曲；或者并非完全按照延伸方向上排列，可以适当的偏离延伸方向。因此，不能排除碳纳米管拉膜的基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管中并列的碳纳米管之间可能存在部分接触。
具体地，所述碳纳米管拉膜包括多个连续且定向排列的碳纳米管片段。该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连。每一碳纳米管片段包括多个相互平行的碳纳米管，该多个相互平行的碳纳米管通过范德华力紧密结合，且多个相互平行的碳纳米管之间具有间隙，也就是说，多个相互平行的碳纳米管之间具有多个微孔。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该碳纳米管拉膜中的碳纳米管沿同一方向择优取向排列。
当所述碳纳米管层状结构12包括多层碳纳米管拉膜时，相邻两层碳纳米管拉膜中的碳纳米管间具有一交叉角度α，0°≤α≤90°。该碳纳米管层状结构中碳纳米管拉膜的层数不限。本实施例中，所述碳纳米管层状结构12由十层层叠设置的碳纳米管拉膜组成，相邻两层碳纳米管拉膜中的碳纳米管垂直交叉设置，形成多个微孔。
请参阅图3和图4，所述碳纳米管碾压膜包括均匀分布的碳纳米管，碳纳米管沿同一方向或不同方向择优取向排列。所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管部分交叠，并通过范德华力相互吸引，紧密结合，使得该碳纳米管结构具有很好的柔韧性，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂。且由于碳纳米管碾压膜中的碳纳米管之间通过范德华力相互吸引，紧密结合，使碳纳米管碾压膜为一自支撑的结构。所述碳纳米管碾压膜可通过碾压一碳纳米管阵列获得。所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管与形成碳纳米管阵列的生长基底的表面形成一夹角β，其中，β大于等于0度且小于等于15度(0≤β≤15°)，该夹角β与施加在碳纳米管阵列上的压力有关，压力越大，该夹角越小，优选地，该碳纳米管碾压膜中的碳纳米管平行于该生长基底排列。该碳纳米管碾压膜为通过碾压一碳纳米管阵列获得，依据碾压的方式不同，该碳纳米管碾压膜中的碳纳米管具有不同的排列形式。具体地，当沿同一方向碾压时，碳纳米管沿一固定方向择优取向排列。当沿不同方向碾压时，碳纳米管沿不同方向择优取向排列。当沿垂直于碳纳米管阵列的方向碾压时，碳纳米管膜各向同性。该碳纳米管碾压膜中碳纳米管的长度大于50微米。所述碳纳米管碾压膜及其制备方法具体请参见范守善等人于2007年6月1日申请的，于2008年12月3日公开的第CN101314464A号中国专利申请“碳纳米管薄膜的制备方法”。为节省篇幅，仅引用于此，但上述申请所有技术揭露也应视为本发明申请技术揭露的一部分。
该碳纳米管碾压膜的面积和厚度不限，可根据实际需要选择。该碳纳米管碾压膜的面积与碳纳米管阵列的尺寸基本相同。该碳纳米管碾压膜厚度与碳纳米管阵列的高度以及碾压的压力有关，可为1微米～1毫米。可以理解，碳纳米管阵列的高度越大而施加的压力越小，则制备的碳纳米管碾压膜的厚度越大；反之，碳纳米管阵列的高度越小而施加的压力越大，则制备的碳纳米管碾压膜的厚度越小。所述碳纳米管碾压膜中的相邻的碳纳米管之间具有一定间隙，从而在碳纳米管碾压膜中形成多个微孔，微孔的孔径约小于10微米。
请参阅图5，所述碳纳米管絮化膜包括相互缠绕且均匀分布的碳纳米管。碳纳米管的长度大于10微米，优选地，碳纳米管的长度大于等于200微米且小于等于900微米。所述碳纳米管之间通过范德华力相互吸引、缠绕，形成网络状结构。所述碳纳米管絮化膜中的碳纳米管为均匀分布，无规则排列，使得该碳纳米管絮化膜各向同性。所述碳纳米管絮化膜中的碳纳米管形成大量的微孔，微孔孔径约小于10微米。所述碳纳米管絮化膜的长度和宽度不限。由于在碳纳米管絮化膜中，碳纳米管相互缠绕，因此该碳纳米管絮化膜具有很好的柔韧性，且为一自支撑结构，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂。所述碳纳米管絮化膜的面积及厚度均不限，厚度为1微米～1毫米，优选为100微米。所述碳纳米管絮化膜及其制备方法具体请参见范守善等人于2007年4月13日申请的，于2008年10月15日公开的第CN101284662A号中国专利申请“碳纳米管薄膜的制备方法”。为节省篇幅，仅引用于此，但上述申请所有技术揭露也应视为本发明申请技术揭露的一部分。
由于所述碳纳米管层状结构自身具有一定的粘性，所以无需额外使用粘结剂即可将所述碳纳米管层状结构粘附在所述黑体辐射腔的内表面。当然，为了保证所述碳纳米管层状结构与所述黑体辐射腔的内表面紧密结合，也可以在所述黑体辐射腔的内表面涂覆一层粘胶，使所述碳纳米管层状结构粘附在所述黑体辐射腔的内表面。
本实施例提供的黑体辐射源，具有以下优点：其一，碳纳米管是目前世界上最黑的材料，碳纳米管层状结构中的碳纳米管之间的微孔能够阻止入射进来的光从所述碳纳米管层状结构表面反射出去；其二，现有技术中的黑体辐射源为获得较高的发射率，除了采用高发射率的涂层材料外，往往增大黑体辐射腔的深度，缩小口径，而本实施例采用碳纳米管层状结构为黑体辐射腔内表面材料，在同样的空腔有效发射率要求条件下，将大大缩小黑体辐射腔的深度，有利于实现黑体辐射源的小型化，适用范围广；其三，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；其四，碳纳米管具有优异的热传导性能，采用碳纳米管层状结构为黑体辐射腔内表面材料，可以提高黑体辐射源的温度均匀性和稳定性；其五，碳纳米管具有优异的力学性能，利用碳纳米管材料制备黑体辐射源将会增加黑体辐射源的稳定性，使得星载黑体在恶劣的环境下不易损坏。
请参阅图6，本发明进一步提供一种实施例一的腔式黑体辐射源10的制备方法，其具体包括以下步骤：
S11，提供一黑体辐射腔，该黑体辐射腔具有一内表面；
S12，提供一支撑体，将所述碳纳米管层状结构缠绕在所述支撑体表面形成碳纳米管管状结构；
S13，将所述碳纳米管管状结构插入所述黑体辐射腔内，使所述碳纳米管层状结构与所述黑体辐射腔的内表面紧密结合，并去除所述支撑体。
步骤S11中，提供一黑体辐射腔101，该黑体辐射腔101为一体成型的圆柱体结构，其材料为铝合金材料。该黑体辐射腔101具有一个圆柱形的空洞112，该空洞112的底面为平面结构。
步骤S12可以通过以下两种方式来实现：
(一)提供一薄膜，在该薄膜的表面形成碳纳米管层状结构，将该薄膜卷成一筒状结构，且形成有碳纳米管层状结构的一面朝外形成碳纳米管管状结构。具体地，所述薄膜要求柔韧性好，可以是PET薄膜、PDMS薄膜等。本实施例中，采用PET薄膜，所述碳纳米管层状结构12由十层层叠设置的碳纳米管拉膜组成，相邻两层碳纳米管拉膜中的碳纳米管垂直交叉设置，形成多个微孔。在所述PET薄膜的表面形成碳纳米管层状结构，并将该PET薄膜卷成一筒状结构，且形成有碳纳米管层状结构的一面朝外形成碳纳米管管状结构。可以根据所述黑体辐射腔的尺寸调整所述PET薄膜筒状结构的尺寸，保证所述PET薄膜筒状结构能够插入所述黑体辐射腔内，且使所述碳纳米管层状结构与所述黑体辐射腔的内表面紧密结合。
(二)提供一圆柱形支撑体，将所述碳纳米管层状结构缠绕在所述支撑体表面形成碳纳米管管状结构。具体地，所述支撑体的材料为高分子材料，其直径略小于所述黑体辐射腔的圆柱形的空洞的直径。
步骤S13中，为保证所述碳纳米管层状结构紧密固定在所述黑体辐射腔的内表面，可以预先在所述黑体辐射腔的内表面形成一粘胶。将所述碳纳米管管状结构插入所述黑体辐射腔内，使所述碳纳米管层状结构与所述黑体辐射腔的内表面紧密结合，去除所述支撑体，使所述碳纳米管层状结构粘附在所述黑体辐射腔的内表面。
更进一步，将所述加热元件设置在所述黑体辐射腔11的外表面，可以实时实现对所述黑体辐射腔11的加热。
请参阅图7，本发明实施例二提供一种腔式黑体辐射源20，该腔式黑体辐射源20的结构与实施例一中腔式黑体辐射源10的结构基本相同。该腔式黑体辐射源20包括一黑体辐射腔21，该黑体辐射腔21具有一内表面，该内表面设置有黑漆23，该黑漆23的表面设置有碳纳米管层状结构22。所述碳纳米管层状结构22为一碳纳米管絮化膜。可以理解，所述碳纳米管层状结构22不限于所述碳纳米管絮化膜，也可以为如实施例一中所述的其他碳纳米管膜等。
所述黑体辐射腔21包括一黑体腔体210和一黑体腔底211，所述黑体腔体210和所述黑体腔底211可以为一体成型结构。所述黑体腔体210具有一空洞212，该空洞212的横截面为圆形。
所述黑漆23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。本实施例选用Nextel Velvet 811-21黑漆。所述黑漆23的厚度不可太小也不可过大，可以理解，所述黑漆23的厚度太小时，所述碳纳米管层状结构22与所述黑体辐射腔21的内表面结合力较弱,所述碳纳米管层状结构22不能牢固地固定在所述黑体辐射腔21的内表面。所述黑漆23的厚度过大时，所述碳纳米管层状结构22被包埋在所述黑漆23中，从而破坏所述碳纳米管层状结构22的结构，不能发挥碳纳米管材料高发射率的优良性能。
请参阅图8，本发明进一步提供一种实施例二的腔式黑体辐射源20的制备方法，其具体包括以下步骤：
S21，提供一黑体辐射腔，该黑体辐射腔具有一内表面，在该内表面涂覆一层黑漆；
S22，提供一支撑体，将所述碳纳米管层状结构缠绕在所述支撑体表面形成碳纳米管管状结构；
S23，将所述碳纳米管管状结构插入所述黑体辐射腔内，使所述碳纳米管层状结构与所述黑体辐射腔的内表面紧密结合，并去除所述支撑体。
本实施例的腔式黑体辐射源20的制备方法与实施例一的腔式黑体辐射源的制备方法的区别在于步骤S21，其他步骤相同。在步骤S21中，在所述黑体辐射腔的内表面涂覆一层黑漆，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。本实施例选用Nextel Velvet 811-21黑漆。
本实施例的腔式黑体辐射源不但具有所述实施例一的腔式黑体辐射源的优点，而且多了一层黑漆，所以碳纳米管层状结构能更牢固地粘结在所述黑体辐射腔的内表面。而且，所以黑漆本身即为高发射率材料，所以，能更进一步提高腔式黑体辐射源的发射率。
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)
1.一种腔式黑体辐射源，该腔式黑体辐射源包括一黑体辐射腔，该黑体辐射腔具有一内表面，其特征在于，所述黑体辐射腔的内表面设置有一层黑漆，在所述黑漆的表面设置有碳纳米管层状结构，该碳纳米管层状结构包括多个碳纳米管，且该碳纳米管层状结构形成有多个微孔。
2.如权利要求1所述的腔式黑体辐射源，其特征在于，所述碳纳米管层状结构包括碳纳米管拉膜、碳纳米管碾压膜或碳纳米管絮化膜。
3.如权利要求2所述的腔式黑体辐射源，其特征在于，所述碳纳米管拉膜包括多个碳纳米管，所述多个碳纳米管沿同一方向择优取向排列。
4.如权利要求2所述的腔式黑体辐射源，其特征在于，所述碳纳米管碾压膜包括多个碳纳米管，所述多个碳纳米管沿同一方向或不同方向择优取向排列。
5.如权利要求2所述的腔式黑体辐射源，其特征在于，所述碳纳米管絮化膜包括多个碳纳米管，所述多个碳纳米管之间通过范德华力相互吸引、缠绕，形成网络状结构。
6.如权利要求1所述的腔式黑体辐射源，其特征在于，所述黑漆为Pyromark 1200黑漆或Nextel Velvet 811-21黑漆。
7.如权利要求1所述的腔式黑体辐射源，其特征在于，所述腔式黑体辐射源包括一加热元件，该加热元件包括一碳纳米管结构及间隔设置在该碳纳米管结构表面的第一电极和第二电极，所述碳纳米管结构包裹或缠绕在所述黑体辐射腔的外表面。
8.一种腔式黑体辐射源的制备方法，其包括以下步骤：
S21，提供一黑体辐射腔，该黑体辐射腔具有一内表面，在该内表面涂覆一层黑漆；
S22，提供一支撑体，将所述碳纳米管层状结构缠绕在所述支撑体表面形成碳纳米管管状结构；
S23，将所述碳纳米管管状结构插入所述黑体辐射腔内，使所述碳纳米管层状结构与所述黑体辐射腔的内表面紧密结合，并去除所述支撑体。
9.如权利要求8所述的腔式黑体辐射源的制备方法，其特征在于，所述步骤S22的具体方法为：提供一薄膜，在该薄膜的表面形成碳纳米管层状结构，将该薄膜卷成一筒状结构，且形成有碳纳米管层状结构的一面朝外形成碳纳米管管状结构。
10.如权利要求8所述的腔式黑体辐射源的制备方法，其特征在于，所述步骤S22的具体方法为：提供一圆柱形支撑体，将所述碳纳米管层状结构缠绕在所述支撑体表面形成碳纳米管管状结构。
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