TWI739994B - 面源黑體 - Google Patents
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Abstract
本發明涉及一種面源黑體，所述面源黑體包括一面板，該面板具有兩個表面，將所述面板的兩個表面分別定義為第一表面和第二表面，其中，所述面板的第一表面設置有複數奈米碳管，所述複數奈米碳管的延伸方向基本垂直於所述面板的第一表面。本發明提供的面源黑體具有較高的發射率和較長的使用壽命。
Description
本發明涉及一種黑體輻射源，尤其涉及一種面源黑體。
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均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。黑體包括腔式黑體和面源黑體兩種。其中，面源黑體的有效發射率主要取決於面源黑體的面型結構和表面材料的發射率。是以，選擇高發射率的表面材料，對獲得高性能的面源黑體具有重要的意義。
確有必要提供一種面源黑體，該面源黑體的表面材料為奈米碳管材料，該面源黑體具有高的發射率。
一種面源黑體，所述面源黑體包括一面板，該面板具有兩個表面，將所述面板的兩個表面分別定義為第一表面和第二表面，其中，所述面板的第一表面設置有複數奈米碳管，所述複數奈米碳管的延伸方向基本垂直於所述面板的第一表面。
與先前技術相比，本發明提供的面源黑體包括一面板，所述面板的表面設置有複數奈米碳管，所述複數奈米碳管之間的微小間隙能夠阻止射進來的光從面板表面反射出去，以奈米碳管材料為標準輻射源材料，該面源黑體具有較高的發射率；奈米碳管材料具有優異的力學性能，利用奈米碳管材料製備的面源黑體不易損壞，具有較長的使用壽命。
10，20，30，40:面源黑體
101，201，301，401:面板
102，202，302，402:第一表面
103，203，303，403:第二表面
104，204，304，404:奈米碳管
205:黑色塗層
圖1為本發明實施例一提供的面源黑體的剖面結構示意圖。
圖2為本發明實施例二提供的面源黑體的剖面結構示意圖。
圖3為本發明實施例三提供的面源黑體的剖面結構示意圖。
圖4為本發明實施例四採用的面板的剖面結構示意圖。
圖5為本發明實施例四提供的面源黑體的剖面結構示意圖。
以下將結合附圖及具體實施例詳細說明本技術方案所提供的面源黑體。
本發明提供一種面源黑體，所述面源黑體包括一面板，該面板具有兩個表面，將所述面板的兩個表面分別定義為第一表面和第二表面，其中，所述面板的第一表面設置有複數奈米碳管，所述複數奈米碳管的延伸方向基本垂直於所述面板的第一表面。
所述面板由耐高溫、並具有較高發射率的材料製成，具體地，所述面板可以由硬鋁材料、鋁合金材料或無氧銅製成。
所述面板的第一表面可以設置有一奈米碳管陣列，該奈米碳管陣列包括複數奈米碳管，且該複數奈米碳管的延伸方向基本垂直於所述面板的第一表面。優選地，該複數奈米碳管遠離所述表面的一端均開口。
進一步地，所述面源黑體還包括一加熱組件，所述加熱組件設置於所述面板的第二表面。所述加熱組件可以是先前技術中的用於面源黑體的加熱組件，亦可以是一奈米碳管結構。優選地，所述加熱組件包括一奈米碳管結構及設置於所述奈米碳管結構表面的第一電極及第二電極，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長線，所述奈米碳管結構包括複數首尾相連且沿同一擇優取向排列的奈米碳管，該奈米碳管結構中的複數奈米碳管沿著第一電極向第二電極的方向延伸。
藉由第一電極和第二電極給所述奈米碳管結構通電，該奈米碳管結構可以對所述面板進行整體加熱，使得所述面板表面的溫場均勻分佈，可提高面源黑體的溫度穩定性和均勻性；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所述面板具有升溫迅速、熱滯後小、熱交換速度快的特點；奈米碳管材料密度小、重量輕，採用該奈米碳管結構為加熱組件，可使面源黑體具有更輕的重量，使用方便；奈米碳管材料具有較好的韌性，採用該奈米碳管結構為加熱組件的面源黑體具有較長的使用壽命。
請一併參閱圖1，本發明實施例一提供一種面源黑體10，該面源黑體包括一面板101，所述面板101具兩表面，將所述面板的兩表面分別定義為第一表面102和第二表面103，其中，所述面板101的第一表面102設置有複數奈米碳管104，所述複數奈米碳管104的延伸方向基本垂直於所述面板101的第一表面102。
所述面板101由鋁合金材料製成。所述複數奈米碳管104遠離所述面板101的第一表面102的一端開口。所述面源黑體10還包括一加熱組件(圖未示)，所述加熱組件設置於所述面板101的第二表面103，所述加熱組件包括一奈米碳管結構及設置於所述奈米碳管結構表面的第一電極和第二電極。
本發明實施例一還提供一種所述面源黑體10的製備方法，其具體包括以下步驟：S11，提供一面板101，所述面板101具有兩個表面，將所述面板的兩個表面分別定義為102和103；S12，在所述面板101的第一表面102形成複數奈米碳管104。
在步驟S11中，所述面板101由鋁合金材料製成。
在步驟S12中，可以藉由直接生長法和轉移法所述在所述面板101的第一表面102形成複數奈米碳管104。下面將分別闡述這兩種方法：所述直接生長法為直接在所述面板101表面生長一奈米碳管陣列，其具體包括以下步驟：(1)在所述面板101的第一表面102沉積一層催化劑；(2)在保護氣體的環境下，加熱所述面板101的溫度至奈米碳管陣列的生長溫度，然後通入碳源氣，在所述面板101的第一表面102生長一奈米碳管陣列。
在步驟(1)中，可以藉由蒸鍍、濺鍍或化學沉積的方法在所述面板101的第一表面102形成一層催化劑，所述催化劑可以是鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其任意組合的合金之一。所述催化劑的厚度為1~10奈米，優選為1~5奈米。
在步驟(2)中，在保護氣體的環境下，加熱所述面板101至500~900℃，優選為600~720℃，然後通入碳源氣與保護氣體的混合氣體，所述碳源氣可以是乙炔、乙烯、甲烷、乙烷等，所述保護氣體為惰性氣體或氮氣，反應10~40分鐘(min)，利用化學氣相沉積法在所述所述面板101的第一表面102上生長
得到一奈米碳管陣列，該奈米碳管陣列包括複數奈米碳管104，且該複數奈米碳管104的延伸方向垂直於所述面板101的第一表面102。
待奈米碳管陣列生長結束後，可進一步處理所述奈米碳管陣列，使所述複數奈米碳管104遠離所述面板101的一端均開口，其中一種方法包括：採用雷射切割所述奈米碳管陣列中的複數奈米碳管104，使所述複數奈米碳管104的頂端開口。
使所述複數奈米碳管104遠離所述面板101的一端均開口的另一種方法包括：將所述面板101及生長得到的奈米碳管陣列一同浸潤於液相高分子體系，使所述液相高分子完全浸潤所述奈米碳管陣列；將液相高分子體系轉化為固相，生成分佈有奈米碳管的高分子複合材料；在靠近所述奈米碳管陣列頂端的位置處，沿平行於所述面板表面的方向切割所述高分子複合材料，使所述複數奈米碳管的頂端開口；去除高分子複合材料中的高分子材料，得到複數頂端開口的奈米碳管。
所述轉移法即預先在一基底表面生長得到一奈米碳管陣列，再將所述奈米碳管陣列轉移至所述面板101的第一表面102，其具體包括以下步驟：(a)，提供一基底，所述基底的表面生長有一奈米碳管陣列；(b)，將所述奈米碳管陣列轉移至所述面板101的第一表面102。
步驟(a)中，所述奈米碳管陣列靠近基底表面的一端為所述奈米碳管陣列的生長端，所述奈米碳管陣列遠離所述基底的一端為所述奈米碳管陣列的頂端，所述奈米碳管陣列包括複數奈米碳管，所述複數奈米碳管的延伸方向基本垂直於所述基底的表面。
步驟(b)中，將所述面板101的第一表面102與所述奈米碳管陣列的頂端接觸，輕輕按壓面板101，並移動所述基底或所述面板101中的至少一
方，使所述基底與所述面板101相遠離，從而使所述奈米碳管陣列與所述基底分離並轉移至所述面板101的第一表面102。
優選地，可以預先在所述面板101的第一表面102形成一粘結層或在所述奈米碳管陣列的頂端形成一粘結層，這樣可以增強所述面板101的第一表面102與所述奈米碳管陣列頂端之間的結合力，使所述奈米碳管陣列更容易轉移至所述面板101的第一表面102。所述粘結層的厚度應較薄，優選為1奈米~50微米，更為優選為1微米~10微米。所述粘結層的材料為傳統的粘結劑材料，可為固態、液態或固液混合的漿料或粘膠。
將所述奈米碳管陣列轉移至所述面板101的第一表面102的過程中，所述奈米碳管陣列的頂端與所述面板101的第一表面102接觸，所述奈米碳管陣列的生長端與所述基底分離而開口，是以不需要再採用雷射照射切割法或其它處理方法使所述複數奈米碳管104遠離所述面板表面的一端開口。
請一併參閱圖2，本發明實施例二提供一種面源黑體20。本發明實施例二提供的面源黑體20的結構與本發明實施例一提供的面源黑體10的結構基本相同，其區別在於，本發明實施例二提供的面源黑體20中，所述複數奈米碳管204在所述面板201的第一表面202的分佈形成一圖案。
所謂“圖案”為所述面板201的第一表面202的部分區域設置有複數奈米碳管204，而未設置有複數奈米碳管204的區域設置有黑色塗層205。所述圖案的形狀和位置不限。將所述設置有複數奈米碳管的區域的面積與未設置有複數奈米碳管的區域的面積之比定義為占空比，所述占空比可為1：9~9：1。
所述黑色塗層205可為高發射率的黑漆、摻雜有奈米碳管的黑漆或奈米碳管層狀結構。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。所述摻雜有奈米碳管的黑漆中奈米碳管的含量為1%~50%。所述奈米碳管層狀結構包括複數奈
米碳管，所述複數奈米碳管的延伸方向基本平行於所述奈米碳管層狀結構的表面，該奈米碳管層狀結構包括至少一奈米碳管膜、至少一奈米碳管線或兩者的組合，進一步地，該奈米碳管層狀結構包括複數微孔。
本發明實施例二還提供一種所述面源黑體20的製備方法，其具體包括以下步驟：S21，提供一面板201，所述面板201具有兩個表面，將所述面板201的兩個表面分別定義為第一表面202和第二表面203，將所述面板201的第一表面202劃分為第一區域和第二區域；S22，在所述面板201的第一表面202的第一區域形成複數奈米碳管204，且所述複數奈米碳管204的延伸方向基本垂直於所述面板201的第一表面202；S23，在所述面板201的第一表面202的第二區域形成一黑色塗層205。
在步驟S21中，按照一預定圖案，將所述面板201的第一表面202劃分為第一區域和第二區域，所述第一區域形成複數奈米碳管204，所述第二區域形成黑色塗層205。
在步驟S22中，可以採用直接生長法或轉移法在所述面板201的第一表面202的第一區域形成複數奈米碳管204，其具體操作方法與S12相同，在此不作詳述。需要注意的是，當採用直接生長法時，需要採用一掩膜將所述第二區域掩蓋，從而保證奈米碳管僅在所述第一區域生長。
步驟S23中，所述黑色塗層205可為高發射率的黑漆、摻雜有奈米碳管的黑漆或奈米碳管層狀結構。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。所述摻雜有奈米碳管的黑漆中奈米碳管的含量為1%~50%。所述奈米碳管層狀
結構包括複數奈米碳管，所述複數奈米碳管的延伸方向基本平行於所述奈米碳管層狀結構的表面。
請一併參閱圖3，本發明實施例三提供一種面源黑體30。本發明實施例三提供的面源黑體30的結構與本發明實施例一提供的面源黑體10的結構基本相同，其區別在於，本發明實施例三提供的面源黑體30中，所述複數奈米碳管304遠離所述面板301的一端形成所述複數奈米碳管304的頂表面，所述複數奈米碳管304的頂表面形成有複數微結構。
所述複數微結構為複數微形槽，所述微形槽可以是環形槽、條形槽或點狀槽，所述微形槽的橫截面形狀不限，可為倒三角形、矩形、梯形等。
所述複數奈米碳管304的頂表面形成有複數微結構，相當於增加了面源黑體表面的粗糙度，可進一步增強所述面源黑體的發射率，獲得高性能的面源黑體。
本發明實施例三還提供一種所述面源黑體30的製備方法，其具體包括以下步驟：S31，提供一面板301，所述面板301具有兩個表面，將所述面板301的兩個表面分別定義為第一表面302和第二表面303；S32，在所述面板301的第一表面302形成複數奈米碳管304；S33，在所述複數奈米碳管304的頂表面形成複數微結構。
在步驟S32中，可以採用直接生長法與轉移法在所述面板301的第一表面302形成複數奈米碳管304，其具體操作方法與S12相同，在此不作詳述。
在步驟S33中，可以採用一雷射照射所述複數奈米碳管304的頂表面，從而在所述複數奈米碳管304的頂表面形成複數微結構。所述雷射光束入射的方向可以與所述複數奈米碳管304的表面垂直，亦可以與所述複數奈米
碳管304的頂表面成一定的角度，優選地，所述雷射光束入射的方向與所述複數奈米碳管的頂表面形成的角度為55度~90度。
雷射照射過程中，由於雷射光束所具有的高能量被奈米碳管吸收，產生的高溫將處於雷射照射路徑處的奈米碳管全部或部分燒蝕，從而在所述複數奈米碳管304的頂表面形成預定深度和寬度的凹槽。該雷射光束的掃描路線可預先由電腦設定，從而得到精確控制。
請一併參閱圖4和圖5，本發明實施例四提供一種面源黑體40。本發明實施例四提供的面源黑體40的結構與本發明實施例一提供的面源黑體10的結構基本相同，其區別在於，本發明實施例四提供的面源黑體40中，所述面板401的第一表面402形成有複數相互間隔的凹槽。
所述凹槽可為條形凹槽、環形凹槽或點狀凹槽，所述凹槽的橫截面形狀為矩形、梯形，所述凹槽可藉由鑄造或蝕刻所述面板401的方法形成。本實施例中，所述凹槽為條形凹槽，所述凹槽的橫截面形狀為矩形。
所述凹槽具有一底表面，所述凹槽的底表面及相鄰凹槽之間的區域均設置有複數奈米碳管404，且所述複數奈米碳管404的延伸方向基本垂直於所述面板401的第一表面402。
本發明實施例四還提供一種所述面源黑體40的製備方法，其具體包括以下步驟：S41，提供一面板401，所述面板401具有兩個表面，將這兩個表面分別定義為第一表面402和第二表面403，所述面板401的第一表面402形成有複數相互間隔的凹槽；S42，分別在所述凹槽的底表面和相鄰凹槽之間的區域形成複數奈米碳管404。
在步驟S41中，所述凹槽為條形凹槽，且所述凹槽的橫截面形狀為矩形。
在步驟S42中，可以採用直接生長法和轉移法在所述凹槽的底表面和相鄰凹槽之間的區域形成複數奈米碳管404，且所述複數奈米碳管404的延伸方向基本垂直於所述面板401的第一表面402。
所述直接生長法具體包括：分別在所述凹槽的底表面和相鄰凹槽之間的區域沉積催化劑；在保護氣體的環境下，加熱所述面板401的溫度至奈米碳管陣列的生長溫度，然後通入碳源氣，在所述凹槽的底表面生長得到一第一奈米碳管陣列及在相鄰凹槽之間的區域生長得到第二奈米碳管陣列。由於第一奈米碳管陣列和第二奈米碳管陣列為一次生長奈米碳管的過程中同時制得，是以，第一奈米碳管陣列和第二奈米碳管陣列中的奈米碳管的生長時間和生長速度相同，第一奈米碳管陣列和第二奈米碳管陣列的長度大致相同。第一奈米碳管陣列的頂端和第二奈米碳管陣列的頂端具有一高度差。
所述轉移法具體包括：提供一基底，所述基底的表面形成有複數相互間隔的凸起，所述凸起的形狀、尺寸、位置與所述面板401的凹槽的形狀、尺寸、位置相吻合，所述凸起的頂表面和相鄰凸起之間的區域均生長有複數奈米碳管404，所述複數奈米碳管404的延伸方向基本垂直於所述基底的表面；將所述複數奈米碳管404轉移至所述面板401的第一表面402，將所述凸起頂表面的複數奈米碳管轉移至所述凹槽的底表面，將相鄰凸起之間的區域上的複數奈米碳管轉移至相鄰凹槽之間的區域。
本發明提供的面源黑體，具有以下優點：其一，奈米碳管是目前世界上最黑的材料，奈米碳管陣列中的奈米碳管之間的微小間隙能夠阻止入射進來的光從陣列表面反射出去，經測量，奈米碳管陣列的發射率高達99.6%，遠遠大於目前面源黑體表面材料(如Nextel Velvet 81-21黑漆的發射率為96%)的
發射率；其二，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；其三，奈米碳管具有優異的熱傳導性能，採用奈米碳管陣列為面源黑體表面材料，可以提高面源黑體的溫度均勻性和穩定性；其四，奈米碳管具有優異的力學性能，利用奈米碳管材料製備面源黑體將會增加面源黑體的穩定性，使得星載面源黑體在惡劣的環境下不易損壞。
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:面源黑體
101:面板
102:第一表面
103:第二表面
104:奈米碳管
Claims (8)
- 一種面源黑體，該面源黑體包括一面板，所述面板具有兩個表面，將所述面板的兩個表面分別定義為第一表面和第二表面，其中，將所述面板的第一表面劃分為第一區域和第二區域，所述面板的第一表面的第一區域僅設置有複數奈米碳管，所述複數奈米碳管的延伸方向均基本垂直於所述面板的第一表面，且該複數奈米碳管遠離所述面板第一表面的一端均開口，所述面板的第一表面的第二區域設置有黑色塗層，所述黑色塗層為黑漆或摻雜有奈米碳管的黑漆，所述第一區域和第二區域的面積之比為1：9~9：1。
- 如請求項1所述的面源黑體，其中，所述複數奈米碳管遠離所述面板的一端形成所述複數奈米碳管的頂表面，所述有複數奈米碳管的頂表面形成有複數微結構。
- 如請求項2所述的面源黑體，其中，所述複數微結構為複數微形槽。
- 如請求項3所述的面源黑體，其中，所述微形槽為環形槽、條形槽或點狀槽，所述微形槽的橫截面形狀為倒三角形、矩形或梯形。
- 如請求項1所述的面源黑體，其中，所述面板的表面形成有複數相互間隔的凹槽，所述凹槽的底表面和相鄰凹槽之間的區域均設置有所述複數奈米碳管。
- 如請求項5所述的面源黑體，其中，所述凹槽為環形凹槽、條形凹槽或點狀凹槽，所述凹槽的橫截面形狀為矩形或梯形。
- 如請求項1所述的面源黑體，其中，所述面源黑體包括一加熱組件，所述加熱組件設置於所述面板的第二表面。
- 如請求項7所述的面源黑體，其中，所述加熱組件包括一奈米碳管結構，所述奈米碳管結構包括複數首尾相連且沿同一方向擇優取向排列的奈米碳管。
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