DE102014203502B3

DE102014203502B3 - Anordnung zur Bestimmung von Temperaturen sowie deren Verwendung

Info

Publication number: DE102014203502B3
Application number: DE102014203502.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Abendroth; Holger Althues; Benjamin Schumm; Stefan Kaskel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2015-03-12
Anticipated expiration: 2034-02-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung von Temperaturen mit einem elektromagnetische Strahlung absorbierenden Element, die von außen auf das absorbierende Element auftrifft. Dabei ist eine Oberfläche des elektromagnetische Strahlung absorbierenden Elements mit einer Beschichtung versehen, die mit einer porösen Matrix, die mit Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder Kohlenstoff in einer Modifikation, bei der einfallende elektromagnetische Strahlung an der Oberfläche mit maximal 20% reflektiert oder gestreut wird, und einem Oxid gebildet. Das Oxid überdeckt die mit Kohlenstoffnanoröhren, dem Graphen, Ruß und/oder den modifizierten Kohlenstoff gebildete poröse Matrix und füllt Zwischenräume zwischen den Kohlenstoffnanoröhren, dem Graphen, Ruß und/oder dem modifizierten Kohlenstoff aus. Außerdem ist ein Temperatursensor zur Erfassung der sich zeitlich verändernden Temperatur der Beschichtung vorhanden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung von Temperaturen mit einem elektromagnetische Strahlung absorbierenden Element sowie deren Verwendung. Dabei kann es sich um einen thermophilen Sensor oder ein anderes zur Temperatur- oder Temperaturänderungsbestimmung geeignetes Element handeln, bei dem die sich infolge einer Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung an einem absorbierenden Element ändernde Temperatur mit einem Thermoelement oder anderen Temperatursensor erfasst und in ein elektrisches Signal gewandelt wird, das dann für die Temperaturbestimmung genutzt werden kann. Es kann auch ein Bolometer so ausgebildet sein.
Die Erfindung kann auch zur Bestimmung der Leistung einfallender elektromagnetischer Strahlung verwendet werden. Die jeweilige elektromagnetische Strahlung wird dabei von einer Strahlungsquelle emittiert und trifft auf die Beschichtung auf. Bei den Strahlungsquellen kann es sich insbesondere um eine Laserlichtquelle, eine LED oder einen Halogenstrahler handeln.
Dabei kann die sich während eines bestimmten Zeitraums verändernde Temperatur bestimmt werden, während die jeweilige elektromagnetische Strahlung, z. B. ein Laserstrahl auf einen elektromagnetische Strahlung absorbierenden Körper gerichtet ist. Es besteht auch die Möglichkeit, die Bestrahlung zu beginnen und die Bestimmung der Temperatur zeitversetzt, also später zu beginnen. Die Bestrahlung und die Temperaturbestimmung sollten jeweils über ein bestimmtes vorgebbares Zeitintervall erfolgen, um reproduzierbare Messergebnisse erhalten zu können. Eine erfasste Temperaturerhöhung kann so zur Bestimmung der Leistung, z. B. der Laserstrahlleistung genutzt werden. Ein Laserstrahl sollte jeweils mit gleicher Flächengröße seines Brennflecks und möglichst in bzw. in die Nähe des Flächenschwerpunkts der Beschichtung oder zumindest auf eine gleiche Position der Fläche der Beschichtung gerichtet werden. Dadurch können ein vergleichbarer Energieeintrag und gleiche Verhältnisse durch thermische Leitung eingehalten werden. Erhöht sich die nach einem vorgegebenen Zeitintervall gemessene Temperaturdifferenz zwischen dem Beginn und dem Ende der Temperaturbestimmung mehr, so ist eine Bestrahlung mit höherer Laserleistung, als bei kleinerer Temperaturdifferenz, bei ansonsten gleichen Bedingungen erfolgt. Bei der Ermittlung der jeweiligen Leistung können Kalibrier- oder Vergleichsmessungen mit bekannter Leistung herangezogen werden.
Es ist allgemein bekannt, dass jeder Körper bei einer Temperatur oberhalb 0 Kelvin eine Wärmestrahlung emittiert, die eine bestimmte spektrale Verteilung und Intensität aufweist, die auch temperaturabhängig ist. Dies wird auch zum Bestimmen von Temperaturen ausgenutzt. Absorbiert ein Körper Wärmestrahlung so kann diese mit einem Sensor erfasst und in ein Messsignal umgewandelt werden. Ein solcher Absorber als Körper soll für eine maximale Absorption eine maximal bzw. sehr stark die von außen einfallende Wärmestrahlung absorbierende Oberfläche aufweisen. Dies wird üblicherweise mit einer auf einem Substrat ausgebildeten Schicht, die die einfallende Wärmestrahlung absorbiert, erreicht.
Eine solche Schicht soll dabei bevorzugt für einen bestimmten Wellenlängenbereich der einfallenden bzw. auf die Schicht auftreffenden Wärmestrahlung eine hohe Absorption und eine entsprechend möglichst sehr kleine Reflexion aufweisen. Es sollten auch keine Unstetigkeiten im jeweiligen zu absorbierenden Wellenlängenspektrum der einfallenden Wärmestrahlung vorhanden sein. Dementsprechend sollten keine Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche aus dem gesamten Wellenlängenbereich der einfallenden Wärmestrahlung eine deutlich höhere oder niedrigere Absorption als andere Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche innerhalb des gesamten Wellenlängenbereichs der einfallenden Wärmestrahlung bewirken. Dies betrifft zumindest den Wellenlängenbereich der einfallenden Wärmestrahlung, der für die Temperaturbestimmung mit einem Temperatursensor genutzt werden soll. Eine stetige Veränderung kann dagegen toleriert werden.
Außerdem ist eine gute optische und mechanische Langzeitstabilität gewünscht. Eine die einfallende Wärmestrahlung absorbierende Schicht sollte außerdem ausreichend temperatur- und korrosionsbeständig sein sowie ausreichend mechanisch stabil sein und eine gute Haftung auf einer Oberfläche aufweisen, die wenn überhaupt nur einen geringfügigen Abrieb zulässt.
Ein besonders wichtiger Aspekt ist das Ansprechverhalten mit einer entsprechend kleinen Zeitkonstante. Dazu sollte eine Schicht eine kleine Wärmekapazität, insbesondere durch eine kleine Masse und Schichtdicke aufweisen. Eine relativ gute thermische Leitfähigkeit wirkt sich ebenfalls vorteilhaft aus.
Wünschenswert sind außerdem eine hohe Messgenauigkeit und ein möglicher Verzicht auf zusätzliche mechanische Elemente.
Auch ein Einsatz mehrerer Temperatursensoren in Form einer Reihen- und/oder Spaltenanordnung (Zeilen u./o. Array) ist häufig gewünscht. Auch in dieser Form soll ein kurzes Ansprechverhalten möglich sein.
Eine weitere Anforderung ist eine einfache und kostengünstige Herstellbarkeit, die möglichst mit der Herstellung der anderen Komponenten eines Temperatursensors kompatibel sein sollte.
Bisher werden absorbierende Schichten als ultradünne Metallschichten ausgebildet. Diese weisen aber eine zu hohe Reflexion auf, so dass der Anteil an absorbierter Strahlung entsprechend kleiner ist. Außerdem ist die Masse einer solchen Schicht relativ hoch.
Es ist auch bekannt Interferenzschichtsysteme einzusetzen, bei denen mehrere Schichten aus Stoffen unterschiedlicher optischer Brechzahl mit einer Schichtdicke, die jeweils λ/4 einer Wellenlänge entsprechen, übereinander ausgebildet sind. Damit ist aber eine Einschränkung auf bestimmte Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche verbunden, was sich nachteilig auf eine breitbandigere homogene Absorption auswirkt und ebenfalls ein erhöhter Anteil der einfallenden Wärmestrahlung reflektiert wird, der nicht genutzt werden kann.
In einer anderen Alternative wurden hoch poröse schwarze Metallschichten eingesetzt. Diese haben den Nachteil, dass infolge der Porosität eine Verschmutzung mit an der Oberfläche und insbesondere in Poren eine Veränderung des Absorptionsverhaltens über die Lebensdauer oder einen Betriebszeitraum auftritt, was zu einer Verfälschung der Messsignale führt und einen erhöhten Kalibrationsaufwand bewirkt. Außerdem ist eine infolge der Porosität unregelmäßige Oberfläche anfällig gegenüber von außen einwirkender mechanischer Beanspruchung, die zu einer Veränderung der Schicht und/oder der Oberfläche führen kann, was wiederum ebenfalls zu einer Veränderung der erfassbaren Messsignale durch ein verändertes Absorptionsverhalten führt.
Es ist auch bekannt, Schichten aus Polymeren oder Schichten aus keramischem Werkstoff zur Absorption einfallender Wärmestrahlung zu nutzen, in denen stärker absorbierende Partikel enthalten sind. Die Partikel haben dabei entweder keinen oder nur einen sehr geringen Kontakt zu anderen benachbart angeordneten Partikeln, so dass sich auch unter Berücksichtigung der geringen thermischen Leitfähigkeit der eingesetzten Polymere oder Keramiken eine homogene Temperatur über eine entsprechend beschichtete Fläche erst über einen relativ langen Zeitraum einstellt, wenn eine Veränderung bei der einfallenden für eine Absorption genutzten Wärmestrahlung auftritt. Die Zeitkonstante ist dadurch erhöht. Solche Schichten erfordern auch eine entsprechend große Schichtdicke, wodurch eine entsprechend hohe Wärmekapazität zu verzeichnen ist, die sich ebenfalls nachteilig auf ein Ansprechverhalten in kurzer Zeit auswirkt.
So ist aus EP 1 485 689 B1 ein Infrarotsensor mit Kohlenstoffnanoröhren bekannt, der mit mehreren Plattformen und darauf gebildeten Auskragungen gebildet ist.
US 7,208,736 B2 betrifft ebenfalls eine Infrarotsensaranordnung, bei der eine Membran auf einer Oberfläche ausgebildet ist.
Ein Infrarotstrahlungsdetektor mit Infrarotstrahlungssensor sind in DE 10 2005 003 657 A1 beschrieben. Dabei weist der Sensor eine Membran in einem Substrat, eine Erfassungsvorrichtung und einen Infrarotabsorptionsfilm auf.
In DE 102 25 377 A1 ist ein im Siebdruck hergestellter Thermostrahlungssensor beschrieben.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine berührungslose Temperaturbestimmung anzugeben, mit denen eine kleine Zeitkonstante und dadurch ein schnelles Ansprechverhalten sowie eine einfache und kostengünstige Herstellbarkeit erreichbar sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Temperatursensor, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden. Eine Verwendung gibt Anspruch 9 an.
Bei einem erfindungsgemäßen Temperatursensor ist ein von außen einfallende elektromagnetische Strahlung absorbierendes Element vorhanden. Eine Oberfläche dieses elektromagnetische Strahlung absorbierenden Elements ist mit einer Beschichtung versehen. Diese Beschichtung ist mit einer porösen Matrix, die mit Kohlenstoffnanoröhren, Ruß, Graphen und/oder modifiziertem Kohlenstoff in der Beschichtung und einem Oxid gebildet. Eine poröse Matrix soll die jeweilige elektromagnetische Strahlung lediglich mit maximal 20%, bevorzugt mit maximal 10% reflektieren und/oder streuen. Kohlenstoffnanoröhren, Ruß, Graphen und modifizierter Kohlenstoff können in der Beschichtung der Beschichtung jeweils allein oder auch als Gemisch mit mindestens zwei dieser Komponenten enthalten sein. Die maximale Reflexion und/Streuung berücksichtigend, sollte eine entsprechend hohe Absorption der elektromagnetischen Strahlung, also bei maximal 20% Reflexion/Streuung eine Absorption von zumindest nahezu 80% erreicht sein.
Das Oxid überdeckt dabei die Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder modifizierten Kohlenstoff in der Beschichtung und füllt Zwischenräume zwischen den Kohlenstoffnanoröhren aus. Es ist außerdem ein Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur der Beschichtung vorhanden. Die mit dem Temperatursensor erfassten Temperaturen können in ein Messsignal, bevorzugt ein elektrisches Messsignal umgewandelt und ggf. nach einer Digitalisierung für eine Erkennung und/oder Auswertung genutzt werden.
Die Beschichtung kann dabei auf einem Substrat, als elektromagnetische Strahlung absorbierendes Element ausgebildet sein, das aus verschiedensten Werkstoffen gebildet sein kann. Neben keramischen oder polymeren Werkstoffen können auch Substrate aus einem Metall für ein elektromagnetische Strahlung absorbierendes Element eingesetzt werden. Dabei sind Werkstoffe mit guter thermischer Leitfähigkeit bevorzugt, da sie über die Fläche eine homogenere Temperaturverteilung in kürzerer Zeit infolge der Absorption von außen einfallender bzw. auf die Beschichtung auftreffender elektromagnetischer Strahlung erreichen können.
Bei der elektromagnetischen Strahlung sollte es sich um elektromagnetische Strahlung aus dem Wellenlängenbereich des UV-VIS-NIR-IR handeln. Bevorzugt ist der Wellenlängenbereich des NIR- und des IR-Lichts und besonders bevorzugt ist elektromagnetische Strahlung mit mindestens einer Wellenlänge größer 800 nm. Dementsprechend sollte jede absorbierte Wärmestrahlung ggf. auch mehrere Wellenlängen größer 800 nm aufweisen. Es können aber auch andere Wellenlängenbereiche mit kürzeren Wellenlängen, also aus dem Spektrum des sichtbaren und des UV-Lichts, berücksichtigt werden. Handelt es sich bei der einfallenden elektromagnetischen Strahlung um von einer Laserquelle emittierte Strahlung, ist dies elektromagnetische Strahlung mit der jeweiligen Wellenlänge.
Durch den Einsatz von Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder modifiziertem Kohlenstoff in der Beschichtung kann neben einer erhöhten Absorption der einfallenden elektromagnetischen Strahlung auch über einen großen Wellenlängenbereich eine geringe Reflexion erreicht werden. Die Beschichtung weist auch eine hohe thermische Leitfähigkeit im Vergleich zu bisher bekannten absorbierenden Schichten auf. Dabei wirkt es sich unter anderem vorteilhaft aus, dass Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder modifizierter Kohlenstoff in der Beschichtung in unmittelbarem berührenden Kontakt mit der Oberfläche des elektromagnetische Strahlung absorbierenden Elements oder Substrats, auf der sie angeordnet sind, stehen. Es genügt dabei, wenn nur ein Teil der Kohlenstoffnanoröhren, des Graphens, an Ruß und/oder des modifizierten Kohlenstoffs in der Beschichtung die Oberfläche berühren. Zur verbesserten Ausnutzung der thermischen Leitung sollten zusätzlich auch berührende Kontakte zwischen Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder modifiziertem Kohlenstoff in der Beschichtung gegeben sein, so dass die thermische Leitfähigkeit des jeweiligen Kohlenstoffs untereinander und ggf. zusätzlich zur Oberfläche, auf der die Beschichtung ausgebildet ist, ausgenutzt werden kann. Dadurch kann die Ansprechzeit und die Zeitkonstante bei der Temperaturbestimmung verkleinert und positiv beeinflusst werden.
Eine hohe Absorption einfallender elektromagnetischer Strahlung kann mit einer sehr dünnen Beschichtung, die eine entsprechend geringe Eigenmasse aufweist und einen relativ kleinen Anteil an Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder modifiziertem Kohlenstoff in der Beschichtung enthält, erreicht werden. Dadurch wird ein verbessertes Ansprechverhalten mit kleiner Zeitkonstante erreicht, wenn Veränderungen der einfallenden elektromagnetischen Strahlung auftreten. Mit dem Einsatz von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), Graphen, Ruß und/oder modifiziertem Kohlenstoff in der Beschichtung kann auch eine gute thermische Leitfähigkeit erreicht werden, so dass über die bestrahlte Fläche der absorbierenden Beschichtung eine homogene Temperaturverteilung erreicht werden kann, die von dieser Fläche wieder elektromagnetische Strahlung/Wärmestrahlung homogen verteilt emittiert und mit dem Temperatursensor, wie beispielsweise einem berührungslos messenden Temperatursensor (z. B. Pyrometer) die Temperatur erfasst bzw. bestimmt werden kann. Insbesondere können sich zeitlich verändernde Temperaturen erfasst bzw. bestimmt werden.
Bei der Erfindung können beliebige Kohlenstoffnanoröhren eingesetzt werden. Es können auch Gemische unterschiedlicher Kohlenstoffnanoröhren, die beispielsweise SWCNTs und MWCNTs enthalten, genutzt werden.
Bei dem in der Beschichtung enthaltenen modifizierten Kohlenstoff sollte es sich um Kohlenstoff mit hohem Anteil (> 50%) der sp²-Modifikation handeln. Der übrige Rest kann auch Kohlenstoff als sp³-Modifikation enthalten. Dabei sollte die Oberfläche, des auch in Form von Partikeln vorliegenden modifizierten Kohlenstoffs stark strukturiert oder porös sein, so dass die elektromagnetische Strahlung auf eine entsprechend vergrößerte Oberfläche auftrifft, von der nur ein sehr geringer Anteil der elektromagnetischen Strahlung so reflektiert oder gestreut wird, dass dieser Anteil nicht in der Beschichtung absorbiert wird.
Das eingesetzte Oxid erhöht die mechanische Festigkeit und verbessert die Haftung der Kohlenstoffnanoröhren oder der anderen Kohlenstoffkomponenten der porösen Matrix auf der Oberfläche.
Die Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder modifizierter Kohlenstoff können in einer Dispersion, die mit Wasser und einem Tensid gebildet ist, auf die jeweilige Oberfläche mit einem geeigneten Verfahren (z. B. Tauchen, Spin-Coating, Sprühen) aufgetragen werden. Nach einer Trocknung liegen die Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder modifizierter Kohlenstoff in der Beschichtung als eine Dünnschicht auf der Oberfläche vor. Im Anschluss erfolgt eine Beschichtung der mit den Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder modifizierter Kohlenstoff in der Beschichtung belegten Oberfläche, die bevorzugt nasschemisch erreicht werden sollte. Ein Tensid ist bei der Erfindung förderlich, da die Kohlenstoffnanoröhren im Allgemeinen und auch in Wasser oder einer anderen Flüssigkeit zur Agglomeration neigen. Mit dem Tensid können die Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder modifizierter Kohlenstoff in der Flüssigkeit stabilisiert und eine Clusterbildung vermieden werden.
Um eine homogene Dispersion zu erhalten, können ggf. in der Dispersion enthaltene große Agglomerate durch eine Behandlung in einer Zentrifuge abgetrennt werden. Die erhaltene Dispersion ist langzeitstabil und muss daher nicht gleich nach ihrer Herstellung weiter verarbeitet werden.
Da das Tensid nach dem Auftrag der Dispersion nicht mehr benötigt wird, sowie einen Einfluss auf die optischen Eigenschaften haben kann, kann es entfernt werden. Dazu kann das Tensid durch eine geeignete Flüssigkeit oder Lösung (z. B. Ethanol) ausgewaschen werden. Nach diesem Waschschritt verbleibt ein CNT-Netzwerk auf der Oberfläche.
Es kann ein das jeweilige Oxid enthaltender Precursor auf die mit den Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder modifiziertem Kohlenstoff in der Beschichtung beschichtete Oberfläche aufgetragen und infiltriert werden, so dass auch die Zwischen- bzw. Freiräume zwischen Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder modifizierter Kohlenstoff in der Beschichtung ausgefüllt werden können. Nach einer ggf. durchgeführten Trocknung kann der das Oxid enthaltende Precursor mittels einer Wärmebehandlung zu einer festhaftenden, mechanisch stabilen, vor einer Oxidation schützenden Oxidschicht umgewandelt und vernetzt werden. Diese Wärmebehandlung kann bereits bei Temperaturen bis maximal 100°C durchgeführt werden, wodurch das Herstellungsverfahren vereinfacht und die Kosten dafür reduziert werden können. Außerdem können temperaturempfindliche Substrate aus entsprechenden Werkstoffen oder auch bereits vorprozessierte Substrate eingesetzt werden, ohne dass eine Beschädigung der elektronischen und elektrischen Komponenten erfolgt.
Durch die ungeordnet angeordneten Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder modifizierten Kohlenstoff in der Beschichtung kann die Oxidkomponente der Beschichtung in Freiräume zwischen den Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder modifiziertem Kohlenstoff in der Beschichtung eindringen und bis zur Oberfläche des Substrats gelangen, so dass zwischen der Substratoberfläche und dem Oxid eine adhäsive stoffschlüssige Verbindung mit guter Haftung der gesamten Beschichtung erreicht werden kann. Die Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder modifizierter Kohlenstoff sind dabei in der Oxidmatrix eingebettet und dadurch fixiert.
Die bei der Erfindung einsetzbaren Oxide können Oxid ausgewählt sein aus Siliciumoxid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Zinnoxid, Zinkoxid und Zirkonoxid oder ggf. andere Oxide, die im Wellenlängenspektrum der eingesetzten elektromagnetischen Strahlung transparent sind, eingesetzt werden. Die Transparenz sollte im relevanten Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung größer 70% sein.
Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder modifizierter Kohlenstoff sollten in der Beschichtung mit einem Anteil im Bereich 10% bis 90% enthalten sein.
Günstig ist es, wenn Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder modifizierter Kohlenstoff mit einem Anteil enthalten sind, der die Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung und/oder einen Temperaturbereich berücksichtigt. Dabei erhöht sich die Absorption mit steigendem Anteil und/oder größerer Schichtdicke. Außerdem steigt die Absorption so bei kleineren Wellenlängen der einfallenden elektromagnetischen Strahlung stärker an, als bei größeren Wellenlängen. Der Anteil an Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder modifiziertem Kohlenstoff kann durch den Masseanteil pro beschichteter Fläche in g/m² angegeben werden. Dieser Sachverhalt kann in Kenntnis der bei der Temperaturbestimmung eingesetzten elektromagnetischen Strahlung mit ihrer Wellenlänge oder ihrem Wellenlängenspektrum ausgenutzt werden.
Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder modifizierter Kohlenstoff sollten in der Beschichtung ausgehend unmittelbar von der Oberfläche des Wärmestrahlung absorbierenden Elements bis in einem Abstand von maximal 2 μm vorhanden sein. Dies ist dann der für die Absorption der elektromagnetischen Strahlung wirksame Bereich der Beschichtung. Oberhalb dieses wirksamen Bereichs kann die Beschichtung ausschließlich mit dem Oxid, in dem ggf. noch Reste als Verunreinigung mit kleinen Anteilen enthalten sind, gebildet sein, so dass die äußere Oberfläche der Beschichtung ausschließlich zumindest im Wesentlichen mit dem Oxid gebildet ist.
Auch das Oxid kann unter diesen Aspekten, also für eine Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich und/oder einen Temperaturbereich ausgewählt sein.
Die Beschichtung mit dem Oxid und den Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder modifiziertem Kohlenstoff sollte eine gesamte Schichtdicke im Bereich 10 nm bis 5000 nm aufweisen.
Kohlenstoffnanoröhren sollten unregelmäßig und dabei zumindest überwiegend in einer Ebene, die parallel zur Oberfläche des elektromagnetische Strahlung absorbierenden Elements bzw. Substrats ausgerichtet ist, auf der Oberfläche angeordnet sein.
Die erfindungsgemäß eingesetzte Beschichtung weist eine hohe Absorption, eine hohe mechanische und thermische Stabilität sowie eine gute Haftung auf.
Ein wichtiger Aspekt ist die sehr kleine Wärmekapazität, die ein schnelles Ansprechverhalten bei aufgetretener Temperaturänderung ermöglicht. Dabei wirken sich die möglichen kleinen Schichtdicken der Beschichtung kleiner 1 μm vorteilhaft aus.
Für die Herstellung und insbesondere die Ausbildung der Oxidschicht ist kein aufwändiges Vakuumbeschichtungsverfahren erforderlich. So kann der Auftrag bevorzugt nasschemisch oder mit einem Verfahren unter Einsatz eines Plasmagestützten bzw. eines anderen Verfahrens (z. B. CVD) unter normalen Umgebungsdruckbedingungen erfolgen. Da außerdem nur ein geringer Anteil an Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder modifiziertem Kohlenstoff erforderlich ist und die einsetzbaren Oxide kostengünstig erhältlich sind, sind die Herstellungskosten entsprechend günstig.
Auch die Messempfindlichkeit ist sehr gut, so dass auch kleine Temperaturänderungen oder eine absolute Temperatur mit sehr kleinen Messfehlern bestimmbar sind.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 ein Diagramm des Reflexionsverhaltens von drei unterschiedlichen Beschichtungen über die Wellenlänge einer möglichen einfallenden Wärmestrahlung im Wellenlängenbereich des IR-Lichtes;
2 ein Diagramm des Reflexionsverhaltens im Wellenlängenbereich des IR-Lichtes und die Abhängigkeit von der Schichtdicke einer Beschichtung und
3a, b REM-Aufnahmen einer Beschichtung in der CNTs enthalten sind.
Beispiel 1
Dabei wurde als Substrat ein Aluminiumblech mit den Abmessungen 50 × 50 × 0,3 mm³ eingesetzt. Prinzipiell können alle möglichen formstabilen Substrate (Metalle, Keramiken, Polymere) eingesetzt werden.
Für die Herstellung einer wässrigen Dispersion wurden 0,1 Masse-% MW-CNTs, 0,1 Masse-% Tensid (Natrium-Dodecylbenzen-Sulfonat) und Wasser eingesetzt. Diese Mischung wurde mittels Ultraschall bei einer Frequenz von 20 kHz für 5 min bearbeitet, um eine möglichst homogene Verteilung der Kohlenstoffnanoröhren in der Dispersion zu erreichen.
Im Anschluss daran wurde die Dispersion mit 3260 g über einen Zeitraum von 5 min zentrifugiert. Danach wurden 80% der oben angeordneten Dispersion entnommen, um einen zu hohen Anteil an noch agglomerierten Kohlenstoffnanoröhren in der Dispersion zu vermeiden. Die restlichen 20% können wieder verwendet werden, um einen neuen Dispersionsansatz herzustellen.
Der entnommene 80% Anteil der Dispersion wurde mit einem Sprühkopf bei gleichzeitig wirkendem Ultraschall mit einer Frequenz von 120 kHz auf eine Oberfläche des Substrats aufgetragen. Es können aber auch andere Sprühköpfe/-verfahren und Substratabmessungen gewählt werden.
Der Einfluss der versprühten CNT-Dispersion ist in 2 dargestellt. Damit wird deutlich, dass mit zunehmender Schichtdicke der Beschichtung die Reflexion (durch zunehmende Absorption an den abgeschiedenen CNT-Schichten) abnimmt. Je dicker die Beschichtung ausgeführt wird, desto höher ist die Absorbtion einfallender elektromagnetischer Strahlung im IR-Wellenlängenbereich.
Nach einer Trocknung und einem Auswaschen des Tensids wurde auf die auf der Substratoberfläche angeordneten und dort haftenden Kohlenstoffnanoröhren als Oxid Siliciumdioxid appliziert. Dies erfolgte mit einem nasschemischen Verfahren.
Es wurde eine Precursorlösung mit 10 ml Wasser, 50 ml Ethanol, 50 ml Tetraethylorthosilicat und 10 ml Essigsäure (100%-ig) eingesetzt und durch Dip-Coating (1 × Tauchen mit 1 mm/s) aufgetragen. Nach einer Trocknung über einen Zeitraum von 5 min erfolgte eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 100°C über einen Zeitraum von 15 min. Dabei konnten alle in der Precursorlösung enthaltenen Komponenten, bis auf einen kleinen Anteil an Resten, wie z. B. nicht entfernte Essigsäure, entfernt und die Beschichtung, in der die Kohlenstoffnanoröhren enthalten sind mit einer Siliciumoxidschicht auf der entsprechend beschichteten Oberfläche des Substrats erhalten werden Die erhaltene Beschichtung hatte eine Schichtdicke von ca. 200 nm.
Beispiel 2
Das wie beim Beispiel 1 erhaltene Substrat mit den auf der Oberfläche angeordneten und dort anhaftenden Kohlenstoffnanoröhren wurde mit einer Siliciumdioxidschicht versehen und dabei Freiräume zwischen den Kohlenstoffnanoröhren mit dem Oxid gefüllt. Hierfür wurde wieder das CSD-Verfahren mit einer Precursorlösung folgender Zusammensetzung: 10 ml Wasser, 50 ml Ethanol 50 ml Tetraethylorthosilicat und 10 ml Essigsäure (100%-ig) eingesetzt.
Der Auftrag erfolgte ebenfalls mittels Dip-Coating (1 × Tauchen mit 1 mm/s).
Nach einer Trocknung über 5 min wurde eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 350°C für 5 min durchgeführt. Dabei wurden wieder Komponenten freigesetzt und die Beschichtung mit den in der Oxidmatrix eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren mit einer Schichtdicke von ca. 350 nm ausgebildet.
Beispiel 3
Ein gemäß Beispiel 1 vorbereitetes Substrat mit den auf der Oberfläche anhaftenden Kohlenstoffnanoröhren sollte mit Aluminiumoxid beschichtet werden. Dies erfolgte wieder mit einem CSD-Verfahren.
Als Precursorlösung wurden 100 ml Al(iPrO)₃ (60 g/l) in n-Butanol mit ca. 1 Vol-% konz. HNO₃ eingesetzt.
Der Auftrag der Precursorlösung erfolgte durch Dip-Coating (1 × Tauchen mit 1 mm/s.
Nach Trocknen über 5 min und einer sich daran anschließenden Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 350°C über 5 min wurde eine die Kohlenstoffnanoröhren enthaltende Beschichtung mit einer Schichtdicke von ca. 40 nm erhalten.
Die 1 zeigt die Reflexionsspektren von einer Oberfläche aus Aluminium A, CNTs auf Aluminiumsubstrat B, CNTs auf Aluminiumsubstrat (Tensid ausgewaschen) C, CNTs (Tensid ausgewaschen) mit SiO₂ (bei 100°C hergestellt) als Beschichtung auf einem Aluminiumsubstrat) D.
Bei allen Beispielen erfolgte das Auswaschen des Tensids durch Eintauchen in ein Ethanolbad über 30 min. Anschließend wurde die Oberfläche mit Ethanol gespült und es erfolgte eine Trocknung.
Bei dem in 2 gezeigten Diagramm waren in der Beschichtung deren Kurve die höchste Reflexion aufwies 0,08 g/m², in der nächstfolgenden Beschichtung 0,15 g/m², in der dritten von oben gezeigten Beschichtung 0,23 g/m², in der auf diese folgenden Beschichtung 0,31 g/m² und in den drei folgenden Beschichtungen mit der weiter reduzierten Reflexion 0,46 g/m², 0,57 g/m² und 0,76 g/m² CNTs enthalten.
In den 3a und 3b sind zwei REM-Aufnahmen gezeigt, bei denen CNTs für eine Beschichtung eingesetzt worden sind. So zeigt 3a auf eine Oberfläche aufgesprühte CNTs in einer dünnen Schicht. In 3b ist die CNT-Schicht mit SiO₂ als Oxid infiltriert und so die Beschichtung ausgebildet.

Claims

Anordnung zur Bestimmung von Temperaturen mit einem elektromagnetische Strahlung absorbierenden Element, die von außen auf das absorbierende Element auftrifft, bei dem eine Oberfläche des elektromagnetische Strahlung absorbierenden Elements mit einer Beschichtung versehen ist, die mit einer porösen Matrix, die mit Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder Kohlenstoff in einer Modifikation und einem Oxid gebildet ist, wobei einfallende elektromagnetische Strahlung an der Oberfläche der porösen Matrix mit maximal 20% reflektiert oder gestreut wird und das Oxid die mit Kohlenstoffnanoröhren, dem Graphen, Ruß und/oder dem modifizierten Kohlenstoff gebildete poröse Matrix überdeckt und Zwischenräume zwischen den Kohlenstoffnanoröhren, dem Graphen, Ruß und/oder dem modifizierten Kohlenstoff ausfüllt und ein Temperatursensor zur Erfassung der sich zeitlich verändernden Temperatur der Beschichtung vorhanden ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxid ausgewählt ist aus Siliciumoxid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Zinnoxid, Zinkoxid und Zirkonoxid.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder modifiziertem Kohlenstoff in der Beschichtung mit einem Anteil enthalten sind, der die Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung und/oder einen Temperaturbereich berücksichtigt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder modifizierter Kohlenstoff in der Beschichtung ausgehend unmittelbar von der Oberfläche des elektromagnetische Strahlung absorbierenden Elements bis in einem Abstand von maximal 2 μm vorhanden ist/sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder modifizierter Kohlenstoff in der Beschichtung mit einem Anteil im Bereich 10 Vol.-% bis 90 Vol.-% enthalten sind.
Anordnung noch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mit dem Oxid und Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder modifizierter Kohlenstoff in der Beschichtung eine Gesamtschichtdicke im Bereich 10 nm bis 5000 nm aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstoffnanoröhren unregelmäßig und dabei zumindest überwiegend in einer Ebene, die parallel zur Oberfläche eines elektromagnetische Strahlung absorbierenden Körpers ausgerichtet ist, auf der Oberfläche des elektromagnetische Strahlung absorbierenden Körpers angeordnet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Ruß und/oder modifizierter Kohlenstoff in unmittelbarem berührenden Kontakt mit der Oberfläche des elektromagnetische Strahlung absorbierenden Elements stehen/steht.
Verwendung einer Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bestimmung der Leistung elektromagnetischer Strahlung, die auf die Beschichtung auftrifft und von einer Strahlungsquelle emittiert wird.
Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Bestimmung der Leistung elektromagnetischer Strahlung, die auf die Beschichtung auftrifft und von einer Laserlichtquelle, einer LED oder einem Halogenstrahler emittiert wird.