CN116147783B - 结构黑体和黑体装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种结构黑体和黑体装置，结构黑体包括层叠设置的支撑层和发射层，发射层的远离支撑层的一侧表面具有吸收结构，支撑层的材料与发射层的材料不同。本申请采用支撑层和发射层层叠的结构，在黑体具有发射层的一侧设置吸收结构，实现在各种材料上制备高发射率的黑体。

Description

结构黑体和黑体装置

技术领域

本发明涉及黑体技术领域，特别是涉及一种结构黑体和黑体装置。

背景技术

热成像仪中温度的换算通常将其数据与人造黑体辐射数据进行标定，以便获得温度信息。因此，黑体质量的好坏是热成像仪精度高低的关键因素。

对于黑体的质量主要包括黑体的密度、发射率、表层稳定性和适用性。黑体的密度越小、表层稳定性越高、适用性强越能够满足多领域使用要求，例如航天领域等。

因此，如何提供一种兼具发射率好、稳定性高且适用性强的黑体，成为目前迫切需要解决的技术问题。

发明内容

基于此，有必要提供一种结构黑体和黑体装置，采用支撑层和发射层层叠的结构，在发射层的表面具有吸收结构，使结构黑体具有发射率高和适用性强的特点。

第一方面，本申请提供一种结构黑体，所述结构黑体包括层叠设置的支撑层和发射层，所述发射层的远离所述支撑层的一侧表面具有吸收结构，所述支撑层的材料与所述发射层的材料不同。

在一些实施方式中，所述支撑层与所述发射层直接接触。

可选地，所述支撑层靠近所述发射层的一侧表面呈平面状或非平面状。

在一些实施方式中，所述结构黑体还包括连接层，所述连接层位于所述支撑层与所述发射层之间，所述连接层的材料包含所述支撑层的材料与所述发射层的材料。

进一步可选地，所述连接层自靠近所述发射层的一侧至靠近所述支撑层的一侧，所述连接层的材料中所述发射层的材料的含量逐渐降低。

在一些实施方式中，所述连接层靠近所述发射层的一侧表面呈平面状或非平面状。

在一些实施方式中，所述连接层的两侧表面分别与所述支撑层和所述发射层融为一体。

可选地，所述连接层采用如下制备方法得到：

将所述发射层和所述支撑层层叠后进行热扩散，所述支撑层的材料扩散至所述发射层内，所述发射层的材料扩散至所述支撑层内，所述发射层和所述支撑层之间融合形成所述连接层。

在一些实施方式中，所述发射层的材料和所述支撑层的材料各自独立地包括金属或合金材料。

在一些实施方式中，所述吸收结构为微米结构或纳米结构。

在一些实施方式中，所述吸收结构的表面还设置有修饰材料层。

可选地，所述修饰材料层的材料包括所述发射层的材料以及所述发射层的材料氧化物。

第二方面，本申请提供一种黑体装置，所述黑体装置包括如第一方面所述的结构黑体。

在一些实施方式中，所述黑体装置为热成像仪。

本申请具有以下有益效果：

本申请采用具有层状结构的结构黑体，包括支撑层和发射层，发射层具有良好的发射率，支撑层作为支撑，解决发射层的适用性问题。本申请提供的结构黑体兼具发射率和适用性强的特点。

附图说明

图1为本申请实施例1中提供的结构黑体的结构示意图，其中，10a-支撑层；20a-发射层；30a-吸收结构；

图2为本申请实施例2中提供的结构黑体的结构示意图，其中，10b-支撑层；20b-发射层；30b-吸收结构；

图3为本申请实施例3中提供的结构黑体的结构示意图，其中，10c-支撑层；20c-发射层；30c-吸收结构；40c-连接层；

图4为本申请实施例4中提供的结构黑体的结构示意图，其中，10d-支撑层；20d-发射层；30d-吸收结构；40d-连接层；

图5为本申请实施例5中提供的结构黑体的结构示意图，其中，10e-支撑层；20e-发射层；30e-吸收结构；31e-修饰材料层；32e-球状修饰材料。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

传统技术中黑体的制作方法主要为涂层黑体和结构化黑体，涂层黑体中涂层直接涂覆于基底表面，涂层容易发生热失配，甚至经常出现气泡现象，在温度和气压变化下，导致热胀冷缩的问题，进而使表面涂层脱落；此外，涂层在机械震动条件下，也容易发生涂层脱落，故涂层的机械加工性能差涂层黑体只适用于在短时间良好环境下使用，当涂层发生脱落时还会损坏基底材料，造成黑体无法使用，而且其使用寿命不容易预测，稳定性极差，不满足高质量要求。结构化黑体受限于材料选取，发射率难以提升，且由于材料选择性高，例如单独为某种材料开发出一种加工结构所消耗的成本巨大，有时候甚至是无法行得通的，因此结构化黑体的缺陷也尤为明显；例如，结构黑体采用铜材料，铜具有非常优良的电导率，因此做出的吸收结构具有很好的吸波效果，可以做出十分逼近绝对黑体的辐射体，但由于铜的密度很高，限制了在对重量要求高的领域，例如航空和军事领域；结构黑体采用铝材料，铝的密度很低，但是其存在电导率差、易氧化、质地软和熔点低的问题，其无法制备出理想辐射体。而本申请的结构黑体通过采用支撑层和发射层的多层结构，能够满足各种使用要求，具有高发射率和高适用性。

本申请第一方面提供一种结构黑体，所述结构黑体包括层叠设置的支撑层和发射层，所述发射层的远离所述支撑层的一侧表面具有吸收结构，所述支撑层的材料与所述发射层的材料不同。

本申请中结构黑体采用层叠设置的支撑层和发射层，而且发射层远离支撑层的一侧表面具有吸收结构，发射层具有良好的发射率，结合支撑层作为发射层的结构支撑，能够适用不同的使用要求，故本申请提供的结构黑体兼具高发射率和高适用性的特点。

需要说明的是，本申请中发射层选用发射率高的材料，可以是金属材料也可以是合金材料，例如采用具有优良电导率的铜。本申请中支撑层作为发射层的结构支撑，材料可不做限制，可根据实际应用环境合理选择，可以是金属材料也可以是合金材料。本申请对吸收结构的具体形状不做具体要求和特殊限定，能够满足黑体的吸波要求即可，例如吸收结构可以是阵列排布的微米级或纳米级准周期阵列结构。

需要说明的是，本申请中发射层和支撑层均可以为多层结构，本领域技术人员可根据实际需要合理选择发射层和支撑层。

需要说明的是，本申请中层叠设置的支撑层和发射层的制备方式可以是热蒸镀、电子束蒸镀、气相沉积、扩散和磁控溅射中的至少一种。例如，采用蒸镀的方式在支撑层的表面设置发射层。

在一些实施例中，提供一种非限定性制备结构黑体的方法，包括：

将所述支撑层和所述发射层层叠结合后，在所述发射层远离所述支撑层的一侧表面加工形成所述吸收结构。

在一些实施例中，所述支撑层的厚度为0.1cm~10cm，例如为0.1cm、0.5cm、1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm、9cm或10cm。

在一些实施例中，所述发射层的厚度为0.001mm~5mm，例如为0.001mm、0.005mm、0.010mm、0.050mm、0.070mm、0.1mm、0.5mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.5mm或5.0mm。

在一些实施例中，所述支撑层与所述发射层直接接触。可选地，所述支撑层靠近所述发射层的一侧表面呈平面状或非平面状。进一步可选地，所述支撑层靠近所述发射层的一侧表面呈与所述吸收结构相对应的形状。

在一些实施例中，所述结构黑体还包括连接层，所述连接层位于所述支撑层与所述发射层之间，所述连接层的材料包含所述支撑层的材料与所述发射层的材料。可选地，所述连接层的材料为所述支撑层的材料与所述发射层的材料的混合材料。进一步可选地，所述连接层自靠近所述发射层的一侧至靠近所述支撑层的一侧，所述连接层的材料中所述发射层的材料的含量逐渐降低。

本申请进一步地对支撑层增设连接层，连接层采用含量渐变结构，与支撑层连接的一侧性质与支撑层材料相近，以发射层的一侧性质与发射层材料相近，从而进一步将发射层和支撑层稳定连接，解决热失配脱落和机械加工脱落的问题，保证黑体结构的整体稳定性。

可选地，所述连接层的厚度为0.5mm~5mm，例如为0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.5mm或5.0mm。

需要说明的是，本申请对连接层的结构形式不做具体要求和特殊限定，本领域技术人员可根据操作方法不同合理选择。例如，本申请中连接层可以是独立于支撑层和连接层的层状结构；也可以是在支撑层和连接层的接触界面融合形成，即连接层为支撑层的一部分和支撑层的一部分组成。

在一些实施例中，所述连接层靠近所述发射层的一侧表面中所述发射层的材料的面质量含量≥99%；

所述连接层靠近所述支撑层的一侧表面中所述支撑层的材料的面质量含量≥99%。

需要说明的是面质量含量指的是在连接层与支撑层的连接侧表面的质量含量，以发射层材料的面质量含量≥99%为例，即连接层连接支撑层的表面上发射层材料的质量含量≥99%。

在一些实施例中，述连接层靠近所述发射层的一侧表面呈平面状或非平面状。例如非平面状包括锯齿结构或波浪结构。

可选地，所述连接层靠近所述发射层的一侧表面呈与所述吸收结构相对应的形状。

需要说明的是，本申请对连接层的实现方式不做具体要求和特殊限定，本领域技术人员可根据实际需要合理选择，实现连接层中含量为渐变结构；例如，连接层可以采用金属热扩散，将两种材料在保护气体中进行扩散退火，可选地，保护气体可以是氮气，进而在两种材料的界面处深度合金化，且含量按比例逐变；或者采用结构化摩擦键合后热扩散的方式，生成具有锯齿状界面的连接层。

在一些实施例中，所述连接层的两侧表面分别与所述支撑层和所述发射层融为一体。

可选地，所述连接层采用如下制备方法得到：

将所述发射层和所述支撑层层叠后进行热扩散，所述支撑层的材料扩散至所述发射层内，所述发射层的材料扩散至所述支撑层内，所述发射层和所述支撑层之间融合形成所述连接层。

示例性地，提供一种支撑层和发射层之间设置连接层的方法，本申请非限定性地以发射层材料为铜，支撑层材料为铝，包括：

将铜板和铝板层叠设置，并在氮气气氛下进行退火处理，脱火处理的温度为300℃~600℃，在铜板和铝板的连接处，铜扩散至铝板内，铝扩散至铜板内，在铜板和铝板之间融合形成含量逐渐变化的连接层。

在一些实施例中，所述发射层的材料和所述支撑层的材料各自独立地包括金属或合金材料。

在一些实施例中，所述支撑层的材料包括铝、铝合金、铜合金和铁合金中的至少一种。需要说明的是，本申请对铝合金、铜合金以及铁合金的组成和含量不做具体要求和特殊限定，本领域技术人员可根据实际需要合理选择铝合金、铜合金以及铁合金的组成和含量。

在一些实施例中，所述发射层的材料包括铜、银、铁、铁合金、铝和铝合金中的至少一种。

在一些实施例中，所述吸收结构为微米结构或纳米结构。

在一些实施例中，所述吸收结构包括阵列排布的多个圆锥形凸起。

本申请中吸收结构包括阵列排布的多个圆锥形凸起，形成陷光结构，有效提高光吸收的效果。

在一些实施例中，所述圆锥形凸起的高度为10μm~400μm。可选地，所述圆锥形凸起的底部直径为5μm~200μm。进一步可选地，所述圆锥形凸起的间距为10μm~400μm。其中，圆锥形凸起的间距指的是相邻两个圆锥形凸起相近边缘之间的距离。

需要说明的是，本申请对阵列排布的尺寸和阵列方式不做具体要求和特殊限定，本领域技术人员可根据实际需要合理选择，能够满足黑体的吸波效果即可，例如可以是矩形阵列或同心圆形阵列。

需要说明的是，本申请中吸收结构仅是发射层远离支撑层一侧表面形成的形状结构，例如可以是在发射层表面加工形成的结构，也可以使发射层整体呈吸收结构的形状。

在一些实施例中，在发射层远离支撑层的表面加工形成具有吸收结构的形状。例如，可以是通过在发射层表面刻蚀或采用模板沉积与发射层材料相同的材料，在发射层上表面形成吸收结构的形状。

在另外一些实施例中，在发射层相邻的临近层表面上加工形成具有吸收结构的形状，进而发射层在具有吸收结构的表面上形成，使发射层整体呈吸收结构的形状，以吸收结构为圆锥形凸起为例，发射层是沿圆锥形凸起的表面设置，故发射层的表面也呈圆锥形凸起的形状，即吸收结构的形状。其中临近层指的是与发射层直接相连的一层，若发射层与支撑层直接连接，则临近层为支撑层；若发射层通过连接层与支撑层相连，则临近层为连接层。

在一些实施例中，所述吸收结构的表面还设有修饰材料层。

可选地，所述修饰材料层包括球状颗粒或类球状颗粒。进一步可选地，所述吸收结构的表面设置修饰材料层，在所述修饰材料层的表面还设置有修饰材料的球状颗粒或类球状颗粒。

本申请通过在发射层上进一步设置修饰材料层或修饰材料结构，从而进一步提高光波的吸收效果，提高吸收率。

在一些实施例中，修饰材料包括与发射层的材料或和发射层材料的氧化物。可选地，所述，修饰材料中发射层材料的质量含量为1%~99%，例如为1%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%或99%，优选为85%~95%。

在一些实施例中，所述修饰材料层的厚度为0.05μm~2μm，例如为0.05μm、0.10μm、0.20μm、0.40μm、0.60μm、0.80μm、1.00μm、1.20μm、1.40μm、1.60μm、1.80μm或2.00μm。

在一些实施例中，所述修饰材料层中球状结构或类球状结构的当量直径为0.02μm~1μm，例如为0.02μm、0.05μm、0.10μm、0.20μm、0.30μm、0.40μm、0.50μm、0.60μm、0.70μm、0.80μm、0.90μm或1.00μm。

本申请第二方面提供一种黑体装置，所述黑体装置包括如第一方面所述的结构黑体。

需要说明的是，本申请对黑体装置的具体结构不做具体要求和特殊限制，例如，黑体装置可以包括箱体组合件、温度控制系统和具有所述结构黑体的黑体靶面，温度控制系统包括发热件、温控仪及温度传感器；箱体组合件包括箱体及防尘镜片；箱体后端敞口设置，箱体前端侧壁中部设有红外输出窗口，具有所述结构黑体的黑体靶面和发热件皆安装于箱体内，且结构黑体具有吸收结构的一侧朝向箱体的红外输出窗口设置，发热件紧贴于结构黑体的不具有吸收结构的一侧，温度传感器固定于结构黑体的侧表面上，防尘镜片固定在箱体的前表面上；发热件受温控仪的控制用于保持结构黑体的温度；温度传感器用于采集结构黑体的温度，并将其转化为相应强度的电信号传输给温控仪；温控仪用于将接收到的电信号处理为温度数据，并根据温度数据控制发热件的输出功率。

在一些实施方式中，所述黑体装置为热成像仪。

以下实施例中，连接层的形成方法包括：

将铜板和铝板层叠设置，并在氮气气氛下进行退火处理，脱火处理的温度为500℃，在铜板和铝板的连接处，铜扩散至铝板内，铝扩散至铜板内，在铜板和铝板之间融合形成含量逐渐变化的连接层。

实施例1

本申请提供了一种结构黑体，如图1所示，包括层叠设置的支撑层10a和发射层20a，发射层20a远离支撑层10a的一侧表面具有吸收结构30a，吸收结构30a包括多个圆锥形凸起，多个所述圆锥凸起呈矩形阵列设置于发射层20a上。

其中，支撑层10a的材质为铝，厚度为5mm；发射层20a的材质为铜，厚度为200μm；圆锥形凸起的高度为60μm，底面直径为30μm，相邻圆锥形凸起的间距为30μm。

实施例2

本申请提供了一种结构黑体，如图2所示，包括层叠设置的支撑层10b和发射层20b，支撑层10b中靠近发射层20b的表面呈与吸收结构30b相对应的形状，所述吸收结构30b包括多个圆锥形凸起，多个所述圆锥凸起呈矩形阵列设置于发射层20b上。

其中，支撑层10b的材质为铝，厚度为5mm；发射层20b的材质为铜，厚度为1μm；圆锥形凸起的高度为60μm，底面直径为30μm，相邻圆锥形凸起的间距为30μm。

实施例3

本申请提供了一种结构黑体，如图3所示，包括层叠设置的支撑层10c、连接层40c和发射层20c，发射层20c远离支撑层10c的一侧表面具有吸收结构30c，所述吸收结构30c包括多个圆锥形凸起，多个所述圆锥凸起呈矩形阵列设置于发射层20c上。

其中，支撑层10c的材质为铝，厚度为5mm；发射层20c的材质为铜，厚度为200μm；圆锥形凸起的高度为60μm，底面直径为30μm，相邻圆锥形凸起的间距为30μm；连接层40c为铜铝合金，厚度为1mm，连接层40c靠近发射层20c的一侧表面中铜含量为99.9%，靠近支撑层10c的一侧表面中铝含量为99.9%，沿支撑层10c向发射层20c的方向上，连接层40c中铜的含量逐渐增大。

实施例4

本申请提供了一种结构黑体，如图4所示，包括层叠设置的支撑层10d、连接层40d和发射层20d，连接层40d中靠近发射层20d的表面呈与吸收结构30d相对应的形状，所述吸收结构30d包括多个圆锥形凸起，多个所述圆锥凸起呈矩形阵列设置于发射层20d上。

其中，支撑层10d的材质为铝，厚度为5mm；发射层20d的材质为铜，厚度为1μm，该厚度为不包括圆锥形凸起高度部分；圆锥形凸起的高度为60μm，底面直径为30μm，相邻圆锥形凸起的间距为30μm；连接层40d为铜铝合金，厚度为1mm，该厚度为不包括圆锥形凸起高度部分，连接层靠近发射层20d的一侧表面中铜含量为99.9%，靠近支撑层10d的一侧表面中铝含量为99.9%，沿支撑层10d向发射层20d的方向上，连接层40d中铜的含量逐渐增大。

实施例5

本申请提供了一种结构黑体，与实施例1相比，区别仅在于，如图5所示，包括层叠设置的支撑层10e和发射层20e，发射层20e远离支撑层10e的一侧表面具有吸收结构30e，吸收结构30e的表面设置一层修饰材料层31e，并在修饰材料层31e的表面设置球状修饰材料。

修饰材料层31e采用铜和氧化铜的混合材料，其中铜的含量为90%，修饰材料层31e的厚度为1μm；修饰材料结构32e采用铜和氧化铜的混合材料，其中铜的含量为80%，球状修饰材料32e的直径为300nm。

实施例6

本实施例提供了一种结构黑体，与实施例1相比，其区别仅在于，将吸收结构中的圆锥形凸起替换为四棱锥凸起。

对比例1

本对比例提供一种结构黑体，与实施例1相比，其区别仅在于，将支撑层的材料替换为与发射层相同的材料，即支撑层和发射层为一层结构。

对比例2

本对比例提供一种结构黑体，与实施例1相比，其区别仅在于，将发射层的材料替换为与支撑层相同的材料，即支撑层和发射层为一层结构。

对比例3

采用中国专利CN103708807A的方法在铝板上制备涂层黑体。

对上述实施例和对比例制备得到的结构黑体进行发射率测试和稳定性测试，测试方法包括：

发射率测试：采用带积分球的傅里叶红外光谱仪进行发射率测试，表征波段为2.5~16μm，波段测试间隔为10nm，将得到的发射率取平均参数，测试结果如表1所示。

稳定性测试：将制备的结构黑体经15min超声清洗后，置于300℃发热体中进行加热老化测试，测试结果如表1所示。

表1

通过上表可以看出：

（1）实施例1与实施例3相比，可以看出，本申请通过含量渐变的连接层连接支撑层和发射层，与支撑层连接的一侧性质与支撑层材料相近，以发射层的一侧性质与发射层材料相近，从而进一步将发射层和支撑层稳定连接，解决热失配脱落和机械加工脱落的问题，保证黑体结构的整体稳定性。

（2）实施例1与实施例5相比，可以看出，本申请进一步地在吸收结构上设置修饰材料层和修饰材料结构，明显提高发射率。

（3）实施例1与实施例6相比，可以看出，本申请采用圆锥形凸起，相比于棱锥结构凸起具有更好的吸光效果，明显提高发射率。

（4）实施例1与对比例1-2和对比例3相比，可以看出，本申请中结构黑体采用层叠设置的支撑层和发射层，并在黑体具有发射层的一侧设置吸收结构，利用发射层生成吸收结构，发射层具有良好的发射率，进一步地支撑层作为发射层的结构支撑，能够适用不同的使用要求，故本申请提供的结构黑体兼具高发射率、高稳定性和高稳定性的特点，本申请兼容现有金属制作方式，工艺简单，成本低，进而能够实现了高精度红外实时成像。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种结构黑体，其特征在于，所述结构黑体包括层叠设置的支撑层和发射层，所述发射层的远离所述支撑层的一侧表面具有吸收结构，所述支撑层的材料与所述发射层的材料不同，所述吸收结构为微米结构或纳米结构，所述发射层的材料和所述支撑层的材料各自独立地包括金属或合金材料；

所述结构黑体还包括连接层，所述连接层位于所述支撑层与所述发射层之间，所述连接层的材料包含所述支撑层的材料与所述发射层的材料，所述连接层的两侧表面分别与所述支撑层和所述发射层融为一体。

2.如权利要求1所述的结构黑体，其特征在于，所述支撑层靠近所述发射层的一侧表面呈平面状或非平面状。

3.如权利要求1所述的结构黑体，其特征在于，所述连接层自靠近所述发射层的一侧至靠近所述支撑层的一侧，所述连接层的材料中所述发射层的材料的含量逐渐降低。

4.如权利要求1所述的结构黑体，其特征在于，所述连接层靠近所述发射层的一侧表面呈平面状或非平面状。

5.如权利要求1所述的结构黑体，其特征在于，所述连接层采用如下制备方法得到：

将所述发射层和所述支撑层层叠后进行热扩散，所述支撑层的材料扩散至所述发射层内，所述发射层的材料扩散至所述支撑层内，所述发射层和所述支撑层之间融合形成所述连接层。

6.如权利要求1所述的结构黑体，其特征在于，所述吸收结构的表面还设有修饰材料层。

7.如权利要求6所述的结构黑体，其特征在于，所述修饰材料层的材料包括所述发射层的材料，以及所述发射层材料的氧化物。

8.一种黑体装置，其特征在于，所述黑体装置包括权利要求1-7任一项所述的结构黑体。

9.如权利要求8所述的黑体装置，其特征在于，所述黑体装置为热成像仪。