CN110031118A - 腔式黑体辐射源以及腔式黑体辐射源的制备方法 - Google Patents

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黑体辐射腔，该黑体辐射腔具有一内表面，该黑体辐射腔的内表面设置有碳纳米管复合材料，该碳纳米管复合材料包括黑漆以及多个碳纳米管，该多个碳纳米管分散在所述黑漆中。所述腔式黑体辐射源的制备方法包括以下步骤：S11，提供一黑体辐射腔，该黑体辐射腔具有一内表面；S12，提供一碳纳米管浆料，该碳纳米管浆料包括黑漆以及多个碳纳米管。S13，在所述黑体辐射腔的内表面涂覆所述碳纳米管浆料，并烘干该碳纳米管浆料，形成碳纳米管复合材料。

Description

腔式黑体辐射源以及腔式黑体辐射源的制备方法

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，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，该黑体辐射腔的内表面设置有碳纳米管复合材料，该碳纳米管复合材料包括黑漆以及多个碳纳米管，该多个碳纳米管分散在所述黑漆中。

腔式黑体辐射源的制备方法，其包括以下步骤：S11，提供一黑体辐射腔，该黑体辐射腔具有一内表面；S12，提供一碳纳米管浆料，该碳纳米管浆料包括黑漆以及多个碳纳米管；S13，在所述黑体辐射腔的内表面涂覆所述碳纳米管浆料，并烘干该碳纳米管浆料，形成碳纳米管复合材料。

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复合材料，该碳纳米管复合材料包括黑漆和多个碳纳米管，该碳纳米管的发射率高达99.6％，所以碳纳米管复合材料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复合材料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。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为本发明实施例二提供的腔式黑体辐射源的剖面结构示意图。

图3为本发明实施例三提供的腔式黑体辐射源的剖面结构示意图。

图4为本发明实施例四提供的腔式黑体辐射源的剖面结构示意图。

主要元件符号说明

腔式黑体辐射源 10，20，30，40

黑体辐射腔 101，201，301，401

黑体辐射腔的内表面 102，202，302，402

碳纳米管复合材料 103，203，303，403

空洞 108，208，308，408

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。

本发明提供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，该内表面设置有碳纳米管复合材料。所述碳纳米管复合材料包括黑漆以及多个碳纳米管，该多个碳纳米管分散在所述黑漆中。所述黑漆选用高发射率的黑漆，如Pyromark 1200黑漆(发射率为0.92)、Nextel Velvet 811-21黑漆(发射率为0.95)等。所述多个碳纳米管在碳纳米管复合材料103中的含量为1％到50％，优选地，所述多个碳纳米管在所述碳纳米管复合材料中的含量为2％到10％。

所述黑体辐射腔由耐高温、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。所述黑体辐射腔包括一黑体腔体和一黑体腔底，所述黑体腔体和所述黑体腔底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能够从所述黑体腔体的一端开口被压入或能够旋入到所述黑体腔体中。

所述黑体腔体具有一空洞，该空洞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。

所述黑体辐射腔的内表面设置有一碳纳米管复合材料，该碳纳米管复合材料中的碳纳米管分散在所述黑漆中。

优选地，所述碳纳米管在所述黑漆中保持直立的状态，且碳纳米管的轴向基本垂直于所述黑体辐射腔的内表面更优。

进一步地，该腔式黑体辐射源还包括一加热元件，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。

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101，该黑体辐射腔101具有一内表面102，该内表面102设置有碳纳米管复合材料103。所述碳纳米管复合材料103包括黑漆104以及多个碳纳米管105，该多个碳纳米管105均匀分散在所述黑漆104中，且多个碳纳米管105在所述黑漆104中无规则排列。所述黑漆104采用Pyromark 1200黑漆，所述碳纳米管105在碳纳米管复合材料103中的含量为2％。

所述黑体辐射腔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具有一空洞108，该空洞108为一圆柱形，该空洞108的底面为平面。

所述碳纳米管复合材料103为一个表面平整的层状结构，其表面粗糙度较大，也就是说，所述碳纳米管复合材料103的表面比较粗糙。

所述加热元件采用碳纳米管结构的加热元件。该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101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101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，可使腔式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腔式黑体辐射源具有较长的使用寿命。

本发明实施例一进一步提供一种所述腔式黑体辐射源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，提供一碳纳米管浆料，该碳纳米管浆料包括黑漆以及多个碳纳米管。

S13，在所述黑体辐射腔的内表面涂覆所述碳纳米管浆料，并烘干该碳纳米管浆料，形成碳纳米管复合材料。

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洞108，该空洞108的底面为平面结构。

步骤S12中，所述碳纳米管浆料包括黑漆和多个碳纳米管，所述多个碳纳米管均匀分散在所述黑漆中。该黑漆选用Pyromark 1200黑漆(发射率为0.92)。所述碳纳米管在碳纳米管浆料中的含量为2％。

步骤S13中，将所述碳纳米管浆料涂覆在所述黑体辐射腔101的内表面，并烘干该碳纳米管浆料，形成碳纳米管复合材料。形成的碳纳米管复合材料中，碳纳米管均匀地分散在所述黑漆中。

更进一步，将所述加热元件设置在所述黑体辐射腔101的外表面，可以实时实现对所述黑体辐射腔101的加热。

请参阅图2，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，包括一黑体辐射腔201，该黑体辐射腔201具有一空洞208，该黑体辐射腔201具有一内表面202，该内表面202设置有碳纳米管复合材料203。所述碳纳米管复合材料203包括Pyromark 1200黑漆204以及多个碳纳米管205，其区别在于，所述碳纳米管205在所述Pyromark 1200黑漆204中保持直立的状态，且碳纳米管205的轴向基本垂直于所述黑体辐射腔201的内表面。

当碳纳米管205在所述Pyromark 1200黑漆204中保持直立的状态时，相邻的碳纳米管205近乎平行形成有空隙，当光线入射至该黑体辐射腔201时，光线在空隙中被相邻的碳纳米管205来回反射，从黑体辐射腔201出射的光线大大减少，所以碳纳米管复合材料203的发射率得到进一步提高。

使碳纳米管复合材料中的碳纳米管直立起来，可以通过以下两种方式来实现。

第一种方式，将特定胶带粘于CNT复合材料的表面，在特定温度下加热所述胶带，CNT复合材料中的碳纳米管被所述特定胶带粘住，然后在所述特定温度下揭去胶带，将CNT复合材料中的碳纳米管拉起，使碳纳米管直立且基本垂直于所述黑体辐射腔的内表面。

第二种方式，首先，将液体胶倾倒于所述CNT复合材料的表面，并使液体胶在所述CNT复合材料的表面流平；其次，固化所述液体胶，固化的方法依据液体胶本身的性质而定；最后，去除CNT复合材料表面的固化后的液体胶，以使CNT复合材料表面的碳纳米管竖立，去除所述固化后的液体胶的方法可以为直接揭去所述固化后的液体胶或用镊子或其他工具将所述固化后的液体胶揭去。

请参阅图3，本发明实施例三提供一种腔式黑体辐射源30，该腔式黑体辐射源30包括一黑体辐射腔301，该黑体辐射腔301具有一个空洞308，该黑体辐射腔具有一内表面302，该内表面302设置有碳纳米管复合材料303。所述碳纳米管复合材料303包括黑漆304以及多个碳纳米管305，该多个碳纳米管305均匀分散在所述黑漆304中且该多个碳纳米管305在所述黑漆304中无规则排列。所述碳纳米管复合材料303的表面设置有多个微结构，该微结构为条形突起或点状突起，该条形突起的横截面形状为三角形、梯形、方形等，所述点状突起的横截面形状为三角形、梯形、方形等。在本实施例中，所述微结构为多个点状突起，该点状突起为三棱锥。所述黑漆304选用高发射率的Nextel Velvet 811-21黑漆(发射率为0.95)。所述碳纳米管305在碳纳米管复合材料303中的含量为5％。

所述黑体辐射腔301由铝合金材料制成。所述黑体辐射腔301包括一黑体腔体和一黑体腔底，所述黑体腔体和所述黑体腔底为两个独立的结构，所述黑体腔体和所述黑体腔底通过螺纹连接，且所述黑体腔底旋入到所述黑体腔体中。所述空洞308的横截面为圆形，所述空洞308的底面为锥形面。

进一步地，该腔式黑体辐射源30还包括一加热元件，该加热元件采用实施例一中的碳纳米管结构的加热元件。

现有研究表明，在其它条件例如如黑体辐射腔的材质、黑体辐射腔内表面材料、黑体辐射腔口径等相同的情况下，黑体辐射腔的内表面积越大，该黑体辐射腔的发射率越高，本发明第三实施例提供的腔式黑体辐射源30中，碳纳米管复合材料的表面形成有多个微结构，相当于增加了所述黑体辐射腔301的内表面积，进一步增大了所述腔式黑体辐射源30的发射率。

本发明实施例三进一步提供一种所述腔式黑体辐射源30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；

S22，提供一碳纳米管浆料，该碳纳米管浆料包括黑漆以及多个碳纳米管。

S23，在所述黑体辐射腔的内表面涂覆所述碳纳米管浆料，并烘干该碳纳米管浆料，形成碳纳米管复合材料。

S24，在所述碳纳米管复合材料的表面形成多个微结构。

步骤S21中，提供一黑体辐射腔301，该黑体辐射腔301为包括一黑体腔体和一黑体腔底，所述黑体腔底旋入所述黑体腔体中，通过螺纹连接。所述黑体辐射腔具有一内表面302，该内表面为光滑的表面。所述黑体腔体和一黑体腔底的材料为铝合金材料。该黑体辐射腔301具有一个圆柱形的空洞308，该空洞308的底面为锥形面。

步骤S22中，所述碳纳米管浆料包括黑漆以及多个碳纳米管，该多个碳纳米管均匀分散在所述黑漆中。该黑漆选用Nextel Velvet 811-21黑漆(发射率为0.95)。所述碳纳米管在碳纳米管浆料中的含量为5％。

步骤S23中，将所述碳纳米管浆料涂覆在所述黑体辐射腔301的内表面，并烘干该碳纳米管浆料，形成碳纳米管复合材料，在该碳纳米管复合材料中，碳纳米管均匀地分散在所述黑漆中。

步骤S24中，采用激光照射法使碳纳米管复合材料的表面形成多个微结构，具体的，激光束斑直径、功率以及扫描速度根据多个微结构的形状和尺寸决定。在本实施例中，提供一激光束的照射路径可由电脑程序控制的激光器，利用该激光器照射碳纳米管复合材料的表面，在碳纳米管复合材料的表面形成多个三棱锥。

更进一步，将所述加热元件设置在所述黑体辐射腔301的外表面，可以实时实现对所述黑体辐射腔301的加热。

本发明实施例三进一步提供一种所述腔式黑体辐射源30的制备方法，其具体包括以下步骤：

S31，提供一黑体辐射腔，该黑体辐射腔具有一内表面，该内表面形成有多个微结构。

S32，提供一碳纳米管浆料，该碳纳米管浆料包括黑漆以及多个碳纳米管。

S33，在所述黑体辐射腔的内表面涂覆所述碳纳米管浆料，并烘干该碳纳米管浆料，形成碳纳米管复合材料。

步骤S31与步骤S21基本相同，不同之处在于黑体辐射腔301的内表面形成有多个微结构，微结构为三棱锥，相邻的三棱锥之间底端连接处形成非平凹形的锥槽。

步骤S32与步骤S22相同，在此不再详述。

步骤S33中，在所述黑体辐射腔301的内表面涂覆所述碳纳米管浆料，确保各个三棱锥的表面均涂覆有浆料，但碳纳米管浆料还没有完全覆盖所述三棱锥，还保持有三棱锥的形状。然后烘干该碳纳米管浆料，在各个三棱锥的表面形成一层碳纳米管复合材料。也就是说，碳纳米管复合材料的表面形成有多个三棱锥。

不限于此，所述多个微结构也可以为多个条形突起或点状突起，该条形突起的横截面形状为三角形、梯形、方形等，所述点状突起的横截面形状为三角形、梯形、方形等。

请参阅图4，本发明实施例四提供一种腔式黑体辐射源40，该腔式黑体辐射源40的结构与实施例三中腔式黑体辐射源30的结构基本相同，该腔式黑体辐射源40包括一黑体辐射腔401，该黑体辐射腔401具有一个空洞408，该黑体辐射腔具有一内表面402，该内表面402设置有碳纳米管复合材料403。所述碳纳米管复合材料403包括Nextel Velvet 811-21黑漆404以及多个碳纳米管405。所述碳纳米管复合材料403的表面设置有多个微结构，该微结构为多个点状突起，该点状突起为三棱锥。所述碳纳米管405在碳纳米管复合材403中的含量为5％。其区别在于，所述碳纳米管405在所述Nextel Velvet 811-21黑漆404中保持直立的状态，且碳纳米管405的轴向基本垂直于所述黑体辐射腔401的内表面。

当碳纳米管405在所述黑漆404中保持直立的状态时，相邻的碳纳米管405近乎平行形成有空隙，当光线入射至该黑体辐射腔401时，光线在空隙中被相邻的碳纳米管405来回反射，从黑体辐射腔401出射的光线大大减少，所以碳纳米管复合材料403的发射率得到进一步提高。

欲使碳纳米管复合材料中的碳纳米管直立起来，可以在实施例三的“在所述黑体辐射腔的内表面涂覆所述碳纳米管浆料”的步骤之后，通过实施例一中的使碳纳米管直立起来的两种方式来实现。

本发明提供的腔式黑体辐射源，具有以下优点：其一，碳纳米管是目前世界上最黑的材料，碳纳米管的发射率高达99.6％，远远大于目前黑体空腔内壁表面材料(如NextelVelvet 81-21黑漆的发射率为96％)的发射率，所以包括碳纳米管和黑漆的碳纳米管复合材料的发射率也高于目前黑体空腔内壁表面材料的发射率；其二，现有技术中的腔式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，而本发明采用碳纳米管复合材料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；其三，当碳纳米管在所述黑漆中保持直立的状态时，相邻的碳纳米管近乎平行形成有空隙，当光线入射至该黑体辐射腔时，光线在空隙中被相邻的碳纳米管来回反射，从所述黑体辐射腔出射的光线大大减少，所以碳纳米管复合材料的发射率得到提高；其四，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；其五，碳纳米管具有优异的力学性能，利用碳纳米管材料制备腔式黑体辐射源将会增加腔式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。而且，所述腔式黑体辐射源的制备方法简单、易行。

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碳纳米管复合材料，该碳纳米管复合材料包括黑漆以及多个碳纳米管，该多个碳纳米管分散在所述黑漆中。

2.如权利要求1所述的腔式黑体辐射源，其特征在于，所述碳纳米管复合材料的表面设置有多个微结构。

3.如权利要求2所述的腔式黑体辐射源，其特征在于，所述多个微结构的形状为条形突起或点状突起。

4.如权利要求3所述的腔式黑体辐射源，其特征在于，所述条形突起的横截面形状为三角形、梯形、方形；所述点状突起的横截面形状为三角形、梯形、方形。

5.如权利要求1所述的腔式黑体辐射源，其特征在于，所述多个碳纳米管在所述碳纳米管复合材料中的含量为1％到50％。

6.如权利要求1所述的腔式黑体辐射源，其特征在于，所述多个碳纳米管在所述碳纳米管复合材料中的含量为2％到10％。

7.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。

8.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。

9.如权利要求8所述的腔式黑体辐射源，其特征在于，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。

10.一种如权利要求1～9任意一项所述的腔式黑体辐射源的制备方法，其包括以下步骤：

S11，提供一黑体辐射腔，该黑体辐射腔具有一内表面；

S12，提供一碳纳米管浆料，该碳纳米管浆料包括黑漆以及多个碳纳米管。

S13，在所述黑体辐射腔的内表面涂覆所述碳纳米管浆料，并烘干该碳纳米管浆料，形成碳纳米管复合材料。