TWI694050B - 腔式黑體輻射源以及腔式黑體輻射源的製備方法 - Google Patents
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Abstract
本發明涉及一種腔式黑體輻射源以及腔式黑體輻射源的製備方法。所述腔式黑體輻射源包括黑體輻射腔，該黑體輻射腔具有一內表面，該黑體輻射腔的內表面設置有奈米碳管複合材料，該奈米碳管複合材料包括黑漆以及複數個奈米碳管，該複數個奈米碳管分散在所述黑漆中。所述腔式黑體輻射源的製備方法包括以下步驟：S11，提供一黑體輻射腔，該黑體輻射腔具有一內表面；S12，提供一奈米碳管漿料，該奈米碳管漿料包括黑漆以及複數個奈米碳管；S13，在所述黑體輻射腔的內表面塗覆所述奈米碳管漿料，並烘乾該奈米碳管漿料，形成奈米碳管複合材料。
Description
本發明涉及一種黑體輻射源以及黑體輻射源的製備方法，尤其涉及一種腔式黑體輻射源以及腔式黑體輻射源的製備方法。
隨著紅外遙感技術的快速發展，紅外遙感被廣泛應用於軍事領域和地球勘探、天氣預報、環境監測等民用領域。然而所有的紅外探測儀器都需要經過黑體標定後方可使用，黑體作為標準輻射源，其作用日益突出，黑體的發射率越高，其標定紅外探測儀器的精度越高。其中，腔式黑體的有效發射率主要取決於黑體腔的開口大小、黑體腔的形狀、黑體腔內表面材料的發射率及腔內的等溫程度等諸多條件。因此，選擇高發射率的腔內表面材料，對獲得高性能的黑體輻射源具有重要的意義。
有鑑於此，確有必要提供一種具有較高發射率的腔式黑體輻射源以及腔式黑體輻射源的製備方法。
腔式黑體輻射源，該腔式黑體輻射源包括一黑體輻射腔，該黑體輻射腔具有一內表面，該黑體輻射腔的內表面設置有奈米碳管複合材料，該奈米碳管複合材料包括黑漆以及複數個奈米碳管，該複數個奈米碳管分散在所述黑漆中。
腔式黑體輻射源的製備方法，其包括以下步驟：S11，提供一黑體輻射腔，該黑體輻射腔具有一內表面；S12，提供一奈米碳管漿料，該奈米碳管
漿料包括黑漆以及複數個奈米碳管；S13，在所述黑體輻射腔的內表面塗覆所述奈米碳管漿料，並烘乾該奈米碳管漿料，形成奈米碳管複合材料。
與先前技術比較，本發明提供的腔式黑體輻射源在黑體輻射腔的內表面設置有奈米碳管複合材料，該奈米碳管複合材料包括黑漆和複數個奈米碳管，該奈米碳管的發射率高達99.6%，所以奈米碳管複合材料的發射率也高於目前黑體空腔內壁表面材料的發射率；本發明的腔式黑體輻射源採用奈米碳管複合材料為黑體輻射腔內表面材料，在同樣的空腔有效發射率要求條件下，將大大縮小黑體輻射腔的深度，有利於實現腔式黑體輻射源的小型化，適用範圍廣。而且，所述腔式黑體輻射源的製備方法簡單、易行。
10，20，30，40:腔式黑體輻射源
101，201，301，401:黑體輻射腔
102，202，302，402:黑體輻射腔的內表面
103，203，303，403:奈米碳管複合材料
108，208，308，408:空洞
104，204，304，404:黑漆
105，205，305，405:奈米碳管
圖1為本發明實施例一提供的腔式黑體輻射源的剖面結構示意圖。
圖2為本發明實施例二提供的腔式黑體輻射源的剖面結構示意圖。
圖3為本發明實施例三提供的腔式黑體輻射源的剖面結構示意圖。
圖4為本發明實施例四提供的腔式黑體輻射源的剖面結構示意圖。
以下將結合附圖及具體實施例詳細說明本發明的腔式黑體輻射源以及該腔式黑體輻射源的製備方法。
本發明提供一種腔式黑體輻射源，該腔式黑體輻射源包括一黑體輻射腔，該黑體輻射腔具有一內表面，該內表面設置有奈米碳管複合材料。所述奈米碳管複合材料包括黑漆以及複數個奈米碳管，該複數個奈米碳管分散在所述黑漆中。所述黑漆選用高發射率的黑漆，如Pyromark 1200黑漆(發射率為0.92)、Nextel Velvet 811-21黑漆(發射率為0.95)等。所述複數個奈米碳管在奈米碳管複合材料103中的含量為1%到50%，優選地，所述複數個奈米碳管在所述奈米碳管複合材料中的含量為2%到10%。
所述黑體輻射腔由耐高溫、並具有較高發射率的材料製成，具體地，所述黑體輻射腔可以由硬鋁材料、鋁合金材料或無氧銅製成。所述黑體輻射腔包括一黑體腔體和一黑體腔底，所述黑體腔體和所述黑體腔底可以為一體
成型結構，也可以為兩個獨立的結構，但要保證所述黑體腔底能夠從所述黑體腔體的一端開口被壓入或能夠旋入到所述黑體腔體中。
所述黑體腔體具有一空洞，該空洞的橫截面可以為圓形、橢圓形、三角形、四邊形，或者其它規則或不規則的多邊形。當然，所述空洞的底面形狀不限，可以為平面、錐形面、棱柱形面以及其他規則或不規則的表面。
所述黑體輻射腔的內表面設置有一奈米碳管複合材料，該奈米碳管複合材料中的奈米碳管分散在所述黑漆中。
優選地，所述奈米碳管在所述黑漆中保持直立的狀態，且奈米碳管的軸向基本垂直於所述黑體輻射腔的內表面更優。
進一步地，該腔式黑體輻射源還包括一加熱元件，該加熱元件可以為先前技術的加熱元件，也可以是利用奈米碳管結構的加熱元件。
請參閱圖1，本發明實施例一提供一種腔式黑體輻射源10，該腔式黑體輻射源10包括一黑體輻射腔101，該黑體輻射腔101具有一內表面102，該內表面102設置有奈米碳管複合材料103。所述奈米碳管複合材料103包括黑漆104以及複數個奈米碳管105，該複數個奈米碳管105均勻分散在所述黑漆104中，且複數個奈米碳管105在所述黑漆104中無規則排列。所述黑漆104採用Pyromark 1200黑漆，所述奈米碳管105在奈米碳管複合材料103中的含量為2%。
所述黑體輻射腔101為一體成型的圓柱體結構，其材料為鋁合金材料。該黑體輻射腔101具有一空洞108，該空洞108為一圓柱形，該空洞108的底面為平面。
所述奈米碳管複合材料103為一個表面平整的層狀結構，其表面粗糙度較大，也就是說，所述奈米碳管複合材料103的表面比較粗糙。
所述加熱元件採用奈米碳管結構的加熱元件。該奈米碳管結構的加熱元件包括一奈米碳管結構及間隔設置在該奈米碳管結構表面的第一電極和第二電極，其中，所述奈米碳管結構包裹或纏繞在所述黑體輻射腔101的外表面，所述奈米碳管結構包括至少一奈米碳管膜或至少一奈米碳管線，所述奈米碳管結構包括複數個首尾相連且擇優取向排列的奈米碳管，該奈米碳管結構中的複數個奈米碳管從第一電極向第二電極的方向延伸。
通過第一電極和第二電極給所述奈米碳管結構通電，奈米碳管結構可以對黑體輻射腔101進行整體加熱，使得所述黑體輻射腔內部的溫場均勻分佈，可以提高腔式黑體輻射源10的溫度穩定性和均勻性；由於奈米碳管密度小、重量輕，採用奈米碳管結構為加熱元件，可使腔式黑體輻射源具有更輕的重量，使用方便；所述奈米碳管結構具有較低的電阻，且奈米碳管的電熱轉換效率高，熱阻率低，採用奈米碳管結構加熱黑體輻射腔具有升溫迅速、熱滯後小、熱交換速度快的特點；奈米碳管具有較好的韌性，採用奈米碳管結構為加熱元件的腔式黑體輻射源具有較長的使用壽命。
本發明實施例一進一步提供一種所述腔式黑體輻射源10的製備方法，其具體包括以下步驟：S11，提供一黑體輻射腔，該黑體輻射腔具有一內表面；S12，提供一奈米碳管漿料，該奈米碳管漿料包括黑漆以及複數個奈米碳管；S13，在所述黑體輻射腔的內表面塗覆所述奈米碳管漿料，並烘乾該奈米碳管漿料，形成奈米碳管複合材料。
步驟S11中，提供一黑體輻射腔101，該黑體輻射腔101為一體成型的圓柱體結構，其材料為鋁合金材料。該黑體輻射腔101具有一個圓柱形的空洞108，該空洞108的底面為平面結構。
步驟S12中，所述奈米碳管漿料包括黑漆和複數個奈米碳管，所述複數個奈米碳管均勻分散在所述黑漆中。該黑漆選用Pyromark 1200黑漆(發射率為0.92)。所述奈米碳管在奈米碳管漿料中的含量為2%。
步驟S13中，將所述奈米碳管漿料塗覆在所述黑體輻射腔101的內表面，並烘乾該奈米碳管漿料，形成奈米碳管複合材料。形成的奈米碳管複合材料中，奈米碳管均勻地分散在所述黑漆中。
更進一步，將所述加熱元件設置在所述黑體輻射腔101的外表面，可以即時實現對所述黑體輻射腔101的加熱。
請參閱圖2，本發明實施例二提供一種腔式黑體輻射源20，該腔式黑體輻射源20的結構與實施例一中腔式黑體輻射源10的結構基本相同，包括一黑體輻射腔201，該黑體輻射腔201具有一空洞208，該黑體輻射腔201具有一內表面202，該內表面202設置有奈米碳管複合材料203。所述奈米碳管複合
材料203包括Pyromark 1200黑漆204以及複數個奈米碳管205，其區別在於，所述奈米碳管205在所述Pyromark 1200黑漆204中保持直立的狀態，且奈米碳管205的軸向基本垂直於所述黑體輻射腔201的內表面。
當奈米碳管205在所述Pyromark 1200黑漆204中保持直立的狀態時，相鄰的奈米碳管205近乎平行形成有空隙，當光線入射至該黑體輻射腔201時，光線在空隙中被相鄰的奈米碳管205來回反射，從黑體輻射腔201出射的光線大大減少，所以奈米碳管複合材料203的發射率得到進一步提高。
使奈米碳管複合材料中的奈米碳管直立起來，可以通過以下兩種方式來實現。
第一種方式，將特定膠帶粘於CNT複合材料的表面，在特定溫度下加熱所述膠帶，CNT複合材料中的奈米碳管被所述特定膠帶粘住，然後在所述特定溫度下揭去膠帶，將CNT複合材料中的奈米碳管拉起，使奈米碳管直立且基本垂直於所述黑體輻射腔的內表面。
第二種方式，首先，將液體膠傾倒於所述CNT複合材料的表面，並使液體膠在所述CNT複合材料的表面流平；其次，固化所述液體膠，固化的方法依據液體膠本身的性質而定；最後，去除CNT複合材料表面的固化後的液體膠，以使CNT複合材料表面的奈米碳管豎立，去除所述固化後的液體膠的方法可以為直接揭去所述固化後的液體膠或用鑷子或其他工具將所述固化後的液體膠揭去。
請參閱圖3，本發明實施例三提供一種腔式黑體輻射源30，該腔式黑體輻射源30包括一黑體輻射腔301，該黑體輻射腔301具有一個空洞308，該黑體輻射腔具有一內表面302，該內表面302設置有奈米碳管複合材料303。所述奈米碳管複合材料303包括黑漆304以及複數個奈米碳管305，該複數個奈米碳管305均勻分散在所述黑漆304中且該複數個奈米碳管305在所述黑漆304中無規則排列。所述奈米碳管複合材料303的表面設置有複數個微結構，該微結構為條形突起或點狀突起，該條形突起的橫截面形狀為三角形、梯形、方形等，所述點狀突起的橫截面形狀為三角形、梯形、方形等。在本實施例中，所述微結構為複數個點狀突起，該點狀突起為三棱錐。所述黑漆304選用高發射率的Nextel Velvet 811-21黑漆(發射率為0.95)。所述奈米碳管305在奈米碳管複合材料303中的含量為5%。
所述黑體輻射腔301由鋁合金材料製成。所述黑體輻射腔301包括一黑體腔體和一黑體腔底，所述黑體腔體和所述黑體腔底為兩個獨立的結構，所述黑體腔體和所述黑體腔底通過螺紋連接，且所述黑體腔底旋入到所述黑體腔體中。所述空洞308的橫截面為圓形，所述空洞308的底面為錐形面。
進一步地，該腔式黑體輻射源30還包括一加熱元件，該加熱元件採用實施例一中的奈米碳管結構的加熱元件。
現有研究表明，在其它條件例如如黑體輻射腔的材質、黑體輻射腔內表面材料、黑體輻射腔口徑等相同的情況下，黑體輻射腔的內表面積越大，該黑體輻射腔的發射率越高，本發明第三實施例提供的腔式黑體輻射源30中，奈米碳管複合材料的表面形成有複數個微結構，相當於增加了所述黑體輻射腔301的內表面積，進一步增大了所述腔式黑體輻射源30的發射率。
本發明實施例三進一步提供一種所述腔式黑體輻射源30的製備方法，其具體包括以下步驟：
S21，提供一黑體輻射腔，該黑體輻射腔具有一內表面；
S22，提供一奈米碳管漿料，該奈米碳管漿料包括黑漆以及複數個奈米碳管。
S23，在所述黑體輻射腔的內表面塗覆所述奈米碳管漿料，並烘乾該奈米碳管漿料，形成奈米碳管複合材料。
S24，在所述奈米碳管複合材料的表面形成複數個微結構。
步驟S21中，提供一黑體輻射腔301，該黑體輻射腔301為包括一黑體腔體和一黑體腔底，所述黑體腔底旋入所述黑體腔體中，通過螺紋連接。所述黑體輻射腔具有一內表面302，該內表面為光滑的表面。所述黑體腔體和一黑體腔底的材料為鋁合金材料。該黑體輻射腔301具有一個圓柱形的空洞308，該空洞308的底面為錐形面。
步驟S22中，所述奈米碳管漿料包括黑漆以及複數個奈米碳管，該複數個奈米碳管均勻分散在所述黑漆中。該黑漆選用Nextel Velvet 811-21黑漆(發射率為0.95)。所述奈米碳管在奈米碳管漿料中的含量為5%。
步驟S23中，將所述奈米碳管漿料塗覆在所述黑體輻射腔301的內表面，並烘乾該奈米碳管漿料，形成奈米碳管複合材料，在該奈米碳管複合材料中，奈米碳管均勻地分散在所述黑漆中。
步驟S24中，採用雷射照射法使奈米碳管複合材料的表面形成複數個微結構，具體的，雷射光束斑直徑、功率以及掃描速度根據複數個微結構的形狀和尺寸決定。在本實施例中，提供一雷射光束的照射路徑可由電腦程式控制的雷射器，利用該雷射器照射奈米碳管複合材料的表面，在奈米碳管複合材料的表面形成複數個三棱錐。
更進一步，將所述加熱元件設置在所述黑體輻射腔301的外表面，可以即時實現對所述黑體輻射腔301的加熱。
本發明實施例三進一步提供一種所述腔式黑體輻射源30的製備方法，其具體包括以下步驟：
S31，提供一黑體輻射腔，該黑體輻射腔具有一內表面，該內表面形成有複數個微結構。
S32，提供一奈米碳管漿料，該奈米碳管漿料包括黑漆以及複數個奈米碳管。
S33，在所述黑體輻射腔的內表面塗覆所述奈米碳管漿料，並烘乾該奈米碳管漿料，形成奈米碳管複合材料。
步驟S31與步驟S21基本相同，不同之處在於黑體輻射腔301的內表面形成有複數個微結構，微結構為三棱錐，相鄰的三棱錐之間底端連接處形成非平凹形的錐槽。
步驟S32與步驟S22相同，在此不再詳述。
步驟S33中，在所述黑體輻射腔301的內表面塗覆所述奈米碳管漿料，確保各個三棱錐的表面均塗覆有漿料，但奈米碳管漿料還沒有完全覆蓋所述三棱錐，還保持有三棱錐的形狀。然後烘乾該奈米碳管漿料，在各個三棱錐的表面形成一層奈米碳管複合材料。也就是說，奈米碳管複合材料的表面形成有複數個三棱錐。
不限於此，所述複數個微結構也可以為複數個條形突起或點狀突起，該條形突起的橫截面形狀為三角形、梯形、方形等，所述點狀突起的橫截面形狀為三角形、梯形、方形等。
請參閱圖4，本發明實施例四提供一種腔式黑體輻射源40，該腔式黑體輻射源40的結構與實施例三中腔式黑體輻射源30的結構基本相同，該腔式黑體輻射源40包括一黑體輻射腔401，該黑體輻射腔401具有一個空洞408，
該黑體輻射腔具有一內表面402，該內表面402設置有奈米碳管複合材料403。所述奈米碳管複合材料403包括Nextel Velvet 811-21黑漆404以及複數個奈米碳管405。所述奈米碳管複合材料403的表面設置有複數個微結構，該微結構為複數個點狀突起，該點狀突起為三棱錐。所述奈米碳管405在奈米碳管複合材403中的含量為5%。其區別在於，所述奈米碳管405在所述Nextel Velvet 811-21黑漆404中保持直立的狀態，且奈米碳管405的軸向基本垂直於所述黑體輻射腔401的內表面。
當奈米碳管405在所述黑漆404中保持直立的狀態時，相鄰的奈米碳管405近乎平行形成有空隙，當光線入射至該黑體輻射腔401時，光線在空隙中被相鄰的奈米碳管405來回反射，從黑體輻射腔401出射的光線大大減少，所以奈米碳管複合材料403的發射率得到進一步提高。
欲使奈米碳管複合材料中的奈米碳管直立起來，可以在實施例三的“在所述黑體輻射腔的內表面塗覆所述奈米碳管漿料”的步驟之後，通過實施例一中的使奈米碳管直立起來的兩種方式來實現。
本發明提供的腔式黑體輻射源，具有以下優點：其一，奈米碳管是目前世界上最黑的材料，奈米碳管的發射率高達99.6%，遠遠大於目前黑體空腔內壁表面材料(如Nextel Velvet 81-21黑漆的發射率為96%)的發射率，所以包括奈米碳管和黑漆的奈米碳管複合材料的發射率也高於目前黑體空腔內壁表面材料的發射率；其二，先前技術中的腔式黑體輻射源為獲得較高的發射率，除了採用高發射率的塗層材料外，往往增大黑體輻射腔的深度，縮小口徑，而本發明採用奈米碳管複合材料為黑體輻射腔內表面材料，在同樣的空腔有效發射率要求條件下，將大大縮小黑體輻射腔的深度，有利於實現腔式黑體輻射源的小型化，適用範圍廣；其三，當奈米碳管在所述黑漆中保持直立的狀態時，相鄰的奈米碳管近乎平行形成有空隙，當光線入射至該黑體輻射腔時，光線在空隙中被相鄰的奈米碳管來回反射，從所述黑體輻射腔出射的光線大大減少，所以奈米碳管複合材料的發射率得到提高；其四，奈米碳管可由高溫條件下碳源氣化學氣相沉積製備，原材料價廉易得；其五，奈米碳管具有優異的力學性能，利用奈米碳管材料製備腔式黑體輻射源將會增加腔式黑體輻射源的穩定性，使得星載黑體在惡劣的環境下不易損壞。而且，所述腔式黑體輻射源的製備方法簡單、易行。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10:腔式黑體輻射源
101:黑體輻射腔
102:黑體輻射腔的內表面
103:奈米碳管複合材料
108:空洞
104:黑漆
105:奈米碳管
Claims (9)
- 一種腔式黑體輻射源，該腔式黑體輻射源包括一黑體輻射腔，該黑體輻射腔具有一內表面，其中，所述黑體輻射腔的內表面設置有奈米碳管複合材料，該奈米碳管複合材料包括黑漆以及複數個奈米碳管，該複數個奈米碳管分散在所述黑漆中，所述腔式黑體輻射源包括一加熱元件，該加熱元件包括一奈米碳管結構及間隔設置在該奈米碳管結構表面的第一電極和第二電極，所述奈米碳管結構包裹或纏繞在所述黑體輻射腔的外表面。
- 如請求項第1項所述的腔式黑體輻射源，其中，所述奈米碳管複合材料的表面設置有複數個微結構。
- 如請求項第2項所述的腔式黑體輻射源，其中，所述複數個微結構的形狀為條形突起或點狀突起。
- 如請求項第3項所述的腔式黑體輻射源，其中，所述條形突起的橫截面形狀為三角形、梯形、方形；所述點狀突起的橫截面形狀為三角形、梯形、方形。
- 如請求項第1項所述的腔式黑體輻射源，其中，所述複數個奈米碳管在所述奈米碳管複合材料中的含量為1%到50%。
- 如請求項第1項所述的腔式黑體輻射源，其中，所述複數個奈米碳管在所述奈米碳管複合材料中的含量為2%到10%。
- 如請求項第1項所述的腔式黑體輻射源，其中，所述黑漆為Pyromark 1200黑漆或Nextel Velvet 811-21黑漆。
- 如請求項第1項所述的腔式黑體輻射源，其中，所述奈米碳管結構包括複數個首尾相連且擇優取向排列的奈米碳管，該奈米碳管結構中的複數個奈米碳管從第一電極向第二電極的方向延伸。
- 一種如請求項第1項~第8項任意一項所述的腔式黑體輻射源的製備方法，其包括以下步驟：S11，提供一黑體輻射腔，該黑體輻射腔具有一內表面；S12，提供一奈米碳管漿料，該奈米碳管漿料包括黑漆以及複數個奈米碳管； S13，在所述黑體輻射腔的內表面塗覆所述奈米碳管漿料，並烘乾該奈米碳管漿料，形成奈米碳管複合材料；S14，將加熱元件設置在所述黑體輻射腔的外表面，該加熱元件包括一奈米碳管結構及間隔設置在該奈米碳管結構表面的第一電極和第二電極，所述奈米碳管結構包裹或纏繞在所述黑體輻射腔的外表面。
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