TWI741136B - 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一黑體輻射腔，該黑體輻射腔具有一內表面，所述黑體輻射腔的內表面設置有奈米碳管層狀結構，該奈米碳管層狀結構包括複數個奈米碳管，且該奈米碳管層狀結構形成有複數個微孔。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，提供一支撐體，將所述奈米碳管層狀結構纏繞在所述支撐體表面形成奈米碳管管狀結構；S13，將所述奈米碳管管狀結構插入所述黑體輻射腔內，使所述奈米碳管層狀結構與所述黑體輻射腔的內表面緊密結合，並去除所述支撐體。
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，包括一黑體輻射腔，該黑體輻射腔具有一內表面，所述黑體輻射腔的內表面設置有奈米碳管層狀結構，該奈米碳管層狀結構包括複數個奈米碳管，且該奈米碳管層狀結構形成有複數個微孔。
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，提供一支撐體，將所述奈米碳管層狀結構纏繞在所述支撐體表面形成奈米碳管管狀結構；S13，將所述奈米碳管管
狀結構插入所述黑體輻射腔內，使所述奈米碳管層狀結構與所述黑體輻射腔的內表面緊密結合，並去除所述支撐體。
與先前技術相比，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層狀結構，該奈米碳管層狀結構包括複數個奈米碳管，該奈米碳管的發射率高達99.6%，所以奈米碳管層狀結構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層狀結構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:腔式黑體輻射源
11，21:黑體輻射腔
12，22:奈米碳管層狀結構
23:黑漆
110，210:黑體腔體
111，211:黑體腔底
112，212:空洞
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為本發明實施例一提供的腔式黑體輻射源中奈米碳管拉膜的掃描電鏡照片。
圖3為本發明實施例一提供的腔式黑體輻射源中奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管沿同一方向擇優取向排列的掃描電鏡照片。
圖4為本發明實施例一提供的腔式黑體輻射源中奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管沿不同方向擇優取向排列的掃描電鏡照片。
圖5為為本發明實施例一提供的腔式黑體輻射源中奈米碳管絮化膜的掃描電鏡照片。
圖6為本發明實施例一提供的腔式黑體輻射源的製備方法的流程圖。
圖7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8為本發明實施例二提供的腔式黑體輻射源的製備方法的流程圖。
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。
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11，該黑體輻射腔11具有一內表面，該內表面設置有奈米碳管層狀結構12。所述奈米碳管層狀結構12包括至少一層奈米碳管膜。
所述黑體輻射腔11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11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11包括一黑體腔體110和一黑體腔底111，所述黑體腔體110和所述黑體腔底111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111能夠從所述黑體腔體110的一端開口被壓入或能夠旋入到所述黑體腔體110中。
所述黑體腔體110具有一空洞112，該空洞112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，所述空洞112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。本實施例中，所述空洞112的橫截面為圓形。
進一步地，該腔式黑體輻射源10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。
所述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11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11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黑體輻射源具有較長的使用壽命。
所述奈米碳管層狀結構12中的奈米碳管膜包括奈米碳管拉膜、奈米碳管碾壓膜或奈米碳管絮化膜。也就是說，所述奈米碳管層狀結構12可以是奈米碳管拉膜、奈米碳管碾壓膜、奈米碳管絮化膜或者是奈米碳管拉膜、奈米碳管碾壓膜以及奈米碳管絮化膜中兩種或者兩種以上膜相互疊加形成的膜。
所述奈米碳管拉膜是從超順排奈米碳管陣列中直接拉取獲得，有關拉取的方法請參見范守善等人於2007年2月9日申請的，於2008年8月13日公開的第CN101239712A號中國公開專利申請“奈米碳管膜結構及其製備方法”。為節省篇幅，僅引用於此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發明申請技術揭露的一部分。
請參閱圖2，所述奈米碳管拉膜是由若干奈米碳管組成的自支撐結構。所述若干奈米碳管為沿同一方向擇優取向排列。所述擇優取向是指在奈米碳管拉膜中大多數奈米碳管的整體延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多數奈米碳管的整體延伸方向基本平行于奈米碳管拉膜的表面。進一步地，所述奈米碳管拉膜中多數奈米碳管是通過凡得瓦爾力首尾相連。具體地，所述奈米碳管拉膜中基本朝同一方向延伸的大多數奈米碳管中每一奈米碳管與在延伸方向上相鄰的奈米碳管通過凡得瓦爾力首尾相連。當然，所述奈米碳管拉膜中存在少數隨機排列的奈米碳管，這些奈米碳管不會對奈米碳管拉膜中大多數奈米碳管的整體取向排列構成明顯影響。
具體地，所述奈米碳管拉膜中基本朝同一方向延伸的多數奈米碳管，並非絕對的直線狀，可以適當的彎曲；或者並非完全按照延伸方向上排列，可以適當的偏離延伸方向。因此，不能排除奈米碳管拉膜的基本朝同一方向延伸的多數奈米碳管中並列的奈米碳管之間可能存在部分接觸。
具體地，所述奈米碳管拉膜包括複數個連續且定向排列的奈米碳管片段。該複數個奈米碳管片段通過凡得瓦爾力首尾相連。每一奈米碳管片段包括複數個相互平行的奈米碳管，該複數個相互平行的奈米碳管通過凡得瓦爾力緊密結合，且複數個相互平行的奈米碳管之間具有間隙，也就是說，複數個相互平行的奈米碳管之間具有複數個微孔。該奈米碳管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該奈米碳管拉膜中的奈米碳管沿同一方向擇優取向排列。
當所述奈米碳管層狀結構12包括多層奈米碳管拉膜時，相鄰兩層奈米碳管拉膜中的奈米碳管間具有一交叉角度α，0°
α
90°。該奈米碳管層狀結構
中奈米碳管拉膜的層數不限。本實施例中，所述奈米碳管層狀結構12由十層層疊設置的奈米碳管拉膜組成，相鄰兩層奈米碳管拉膜中的奈米碳管垂直交叉設置，形成複數個微孔。
請參閱圖3和圖4，所述奈米碳管碾壓膜包括均勻分佈的奈米碳管，奈米碳管沿同一方向或不同方向擇優取向排列。所述奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管部分交疊，並通過凡得瓦爾力相互吸引，緊密結合，使得該奈米碳管結構具有很好的柔韌性，可以彎曲折疊成任意形狀而不破裂。且由於奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管之間通過凡得瓦爾力相互吸引，緊密結合，使奈米碳管碾壓膜為一自支撐的結構。所述奈米碳管碾壓膜可通過碾壓一奈米碳管陣列獲得。所述奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管與形成奈米碳管陣列的生長基底的表面形成一夾角β，其中，β大於等於0度且小於等於15度(0
β
15°)，該夾角β與施加在奈米碳管陣列上的壓力有關，壓力越大，該夾角越小，優選地，該奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管平行於該生長基底排列。該奈米碳管碾壓膜為通過碾壓一奈米碳管陣列獲得，依據碾壓的方式不同，該奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管具有不同的排列形式。具體地，當沿同一方向碾壓時，奈米碳管沿一固定方向擇優取向排列。當沿不同方向碾壓時，奈米碳管沿不同方向擇優取向排列。當沿垂直于奈米碳管陣列的方向碾壓時，奈米碳管膜各向同性。該奈米碳管碾壓膜中奈米碳管的長度大於50微米。所述奈米碳管碾壓膜及其製備方法具體請參見范守善等人於2007年6月1日申請的，於2008年12月3日公開的第CN101314464A號中國專利申請“奈米碳管薄膜的製備方法”。為節省篇幅，僅引用於此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發明申請技術揭露的一部分。
該奈米碳管碾壓膜的面積和厚度不限，可根據實際需要選擇。該奈米碳管碾壓膜的面積與奈米碳管陣列的尺寸基本相同。該奈米碳管碾壓膜厚度與奈米碳管陣列的高度以及碾壓的壓力有關，可為1微米~1毫米。可以理解，奈米碳管陣列的高度越大而施加的壓力越小，則製備的奈米碳管碾壓膜的厚度越大；反之，奈米碳管陣列的高度越小而施加的壓力越大，則製備的奈米碳管碾壓膜的厚度越小。所述奈米碳管碾壓膜中的相鄰的奈米碳管之間具有一定間隙，從而在奈米碳管碾壓膜中形成複數個微孔，微孔的孔徑約小於10微米。
請參閱圖5，所述奈米碳管絮化膜包括相互纏繞且均勻分佈的奈米碳管。奈米碳管的長度大於10微米，優選地，奈米碳管的長度大於等於200微
米且小於等於900微米。所述奈米碳管之間通過凡得瓦爾力相互吸引、纏繞，形成網路狀結構。所述奈米碳管絮化膜中的奈米碳管為均勻分佈，無規則排列，使得該奈米碳管絮化膜各向同性。所述奈米碳管絮化膜中的奈米碳管形成大量的微孔，微孔孔徑約小於10微米。所述奈米碳管絮化膜的長度和寬度不限。由於在奈米碳管絮化膜中，奈米碳管相互纏繞，因此該奈米碳管絮化膜具有很好的柔韌性，且為一自支撐結構，可以彎曲折疊成任意形狀而不破裂。所述奈米碳管絮化膜的面積及厚度均不限，厚度為1微米~1毫米，優選為100微米。所述奈米碳管絮化膜及其製備方法具體請參見范守善等人於2007年4月13日申請的，於2008年10月15日公開的第CN101284662A號中國專利申請“奈米碳管薄膜的製備方法”。為節省篇幅，僅引用於此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發明申請技術揭露的一部分。
由於所述奈米碳管層狀結構自身具有一定的粘性，所以無需額外使用粘結劑即可將所述奈米碳管層狀結構粘附在所述黑體輻射腔的內表面。當然，為了保證所述奈米碳管層狀結構與所述黑體輻射腔的內表面緊密結合，也可以在所述黑體輻射腔的內表面塗覆一層粘膠，使所述奈米碳管層狀結構粘附在所述黑體輻射腔的內表面。
本實施例提供的黑體輻射源，具有以下優點：其一，奈米碳管是目前世界上最黑的材料，奈米碳管層狀結構中的奈米碳管之間的微孔能夠阻止入射進來的光從所述奈米碳管層狀結構表面反射出去；其二，先前技術中的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，而本實施例採用奈米碳管層狀結構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，有利於實現黑體輻射源的小型化，適用範圍廣；其三，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；其四，奈米碳管具有優異的熱傳導性能，採用奈米碳管層狀結構為黑體輻射腔內表面材料，可以提高黑體輻射源的溫度均勻性和穩定性；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黑體輻射源將會增加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。
請參閱圖6，本發明進一步提供一種實施例一的腔式黑體輻射源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，提供一支撐體，將所述奈米碳管層狀結構纏繞在所述支撐體表面形成奈米碳管管狀結構；S13，將所述奈米碳管管狀結構插入所述黑體輻射腔內，使所述奈米碳管層狀結構與所述黑體輻射腔的內表面緊密結合，並去除所述支撐體。
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洞112，該空洞112的底面為平面結構。
步驟S12可以通過以下兩種方式來實現：
(一)提供一薄膜，在該薄膜的表面形成奈米碳管層狀結構，將該薄膜卷成一筒狀結構，且形成有奈米碳管層狀結構的一面朝外形成奈米碳管管狀結構。具體地，所述薄膜要求柔韌性好，可以是PET薄膜、PDMS薄膜等。本實施例中，採用PET薄膜，所述奈米碳管層狀結構12由十層層疊設置的奈米碳管拉膜組成，相鄰兩層奈米碳管拉膜中的奈米碳管垂直交叉設置，形成複數個微孔。在所述PET薄膜的表面形成奈米碳管層狀結構，並將該PET薄膜卷成一筒狀結構，且形成有奈米碳管層狀結構的一面朝外形成奈米碳管管狀結構。可以根據所述黑體輻射腔的尺寸調整所述PET薄膜筒狀結構的尺寸，保證所述PET薄膜筒狀結構能夠插入所述黑體輻射腔內，且使所述奈米碳管層狀結構與所述黑體輻射腔的內表面緊密結合。
(二)提供一圓柱形支撐體，將所述奈米碳管層狀結構纏繞在所述支撐體表面形成奈米碳管管狀結構。具體地，所述支撐體的材料為高分子材料，其直徑略小於所述黑體輻射腔的圓柱形的空洞的直徑。
步驟S13中，為保證所述奈米碳管層狀結構緊密固定在所述黑體輻射腔的內表面，可以預先在所述黑體輻射腔的內表面形成一粘膠。將所述奈米碳管管狀結構插入所述黑體輻射腔內，使所述奈米碳管層狀結構與所述黑體輻射腔的內表面緊密結合，去除所述支撐體，使所述奈米碳管層狀結構粘附在所述黑體輻射腔的內表面。
更進一步，將所述加熱元件設置在所述黑體輻射腔11的外表面，可以即時實現對所述黑體輻射腔11的加熱。
請參閱圖7，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。該腔式黑體輻射源20包括一黑體輻射腔21，該黑體輻射腔21具有一內表面，該內表面設置有黑漆23，該黑漆23的表面設置有奈米碳管層狀結構22。所述奈米碳管層狀結構22為一奈米碳管絮化膜。可以理解，所述奈米碳管層狀結構22不限於所述奈米碳管絮化膜，也可以為如實施例一中所述的其他奈米碳管膜等。
所述黑體輻射腔21包括一黑體腔體210和一黑體腔底211，所述黑體腔體210和所述黑體腔底211可以為一體成型結構。所述黑體腔體210具有一空洞212，該空洞212的橫截面為圓形。
所述黑漆23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。本實施例選用Nextel Velvet 811-21黑漆。所述黑漆23的厚度不可太小也不可過大，可以理解，所述黑漆23的厚度太小時，所述奈米碳管層狀結構22與所述黑體輻射腔21的內表面結合力較弱，所述奈米碳管層狀結構22不能牢固地固定在所述黑體輻射腔21的內表面。所述黑漆23的厚度過大時，所述奈米碳管層狀結構22被包埋在所述黑漆23中，從而破壞所述奈米碳管層狀結構22的結構，不能發揮奈米碳管材料高發射率的優良性能。
請參閱圖8，本發明進一步提供一種實施例二的腔式黑體輻射源20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，在該內表面塗覆一層黑漆；S22，提供一支撐體，將所述奈米碳管層狀結構纏繞在所述支撐體表面形成奈米碳管管狀結構；S23，將所述奈米碳管管狀結構插入所述黑體輻射腔內，使所述奈米碳管層狀結構與所述黑體輻射腔的內表面緊密結合，並去除所述支撐體。
本實施例的腔式黑體輻射源20的製備方法與實施例一的腔式黑體輻射源的製備方法的區別在於步驟S21，其他步驟相同。在步驟S21中，在所述黑體輻射腔的內表面塗覆一層黑漆，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。本實施例選用Nextel Velvet 811-21黑漆。
本實施例的腔式黑體輻射源不但具有所述實施例一的腔式黑體輻射源的優點，而且多了一層黑漆，所以奈米碳管層狀結構能更牢固地粘結在所述黑體輻射腔的內表面。而且，所以黑漆本身即為高發射率材料，所以，能更進一步提高腔式黑體輻射源的發射率。
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。
10，20:腔式黑體輻射源
11，21:黑體輻射腔
12，22:奈米碳管層狀結構
23:黑漆
110，210:黑體腔體
111，211:黑體腔底
112，212:空洞
Claims (10)
- 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層狀結構，該奈米碳管層狀結構包括複數個奈米碳管，該複數個奈米碳管的延伸方向基本平行于所述黑體輻射腔的內表面，且該奈米碳管層狀結構形成有複數個微孔，且該複數個微孔的孔徑小於10微米。
- 如請求項1所述的腔式黑體輻射源，其中，所述奈米碳管層狀結構包括至少一個奈米碳管膜。
- 如請求項2所述的腔式黑體輻射源，其中，所述奈米碳管膜包括奈米碳管拉膜、奈米碳管碾壓膜或奈米碳管絮化膜。
- 如請求項3所述的腔式黑體輻射源，其中，所述奈米碳管拉膜包括複數個奈米碳管，所述複數個奈米碳管沿同一方向擇優取向排列。
- 如請求項3所述的腔式黑體輻射源，其中，所述奈米碳管碾壓膜包括複數個奈米碳管，所述複數個奈米碳管沿同一方向或不同方向擇優取向排列。
- 如請求項3所述的腔式黑體輻射源，其中，所述奈米碳管絮化膜包括複數個奈米碳管，所述複數個奈米碳管之間通過凡得瓦爾力相互吸引、纏繞，形成網路狀結構。
- 如請求項1所述的腔式黑體輻射源，其中，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。
- 一種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，提供一支撐體，將一奈米碳管層狀結構纏繞在所述支撐體表面形成奈米碳管管狀結構，所述奈米碳管層狀結構形成有複數個微孔，且該複數個微孔的孔徑小於10微米；S13，將所述奈米碳管管狀結構插入所述黑體輻射腔內，使所述奈米碳管層狀結構與所述黑體輻射腔的內表面緊密結合，並去除所述支撐體。
- 如請求項8所述的腔式黑體輻射源的製備方法，其中，所述步驟S12的具體方法為：提供一薄膜，在該薄膜的表面形成奈米碳管層狀結構，將該薄膜卷成一筒狀結構，且形成有奈米碳管層狀結構的一面朝外形成奈米碳管管狀結構。
- 如請求項8所述的腔式黑體輻射源的製備方法，其中，所述步驟S12的具體方法為：提供一圓柱形支撐體，將所述奈米碳管層狀結構纏繞在所述支撐體表面形成奈米碳管管狀結構。
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