碳納米涂層性能研究教材

1、碳納米涂層性能研究材控122關一鳴201211604234課題研究背景紅外輻射又稱紅外光是波長介于可見光與微波之間的電磁波，人眼無法察覺。若要檢測紅外光的存在并且測量它的輻射強度，唯一的辦法是將這種輻射轉換為可檢測并可以測量的其他物理量。紅外探測技術便是獲取此類信息的主要途徑手段之一,紅外探測系統(tǒng)的核心部件是紅外探測器，具有靈敏度高、探測距離遠、分辨率好等特點。紅外探測器是將紅外輻射信號轉換成可以檢測測量的電信號并將其輸出的器件，其工作狀態(tài)下一般要通過低溫制冷來維持工作性能。隨著科技的不斷發(fā)展，各項研究表明現(xiàn)實存在著有許多紅外發(fā)射率較高的物質。隨著材料設計和材料復合技術不斷的發(fā)展，紅外吸收材料

2、的物質組成從單個物質成分向復合型材料逐漸發(fā)展，紅外吸收材料的研制及其應用被注入很多新的活力。與此同時它核心部分的紅外輻射材料也越來越受到重視，目前美國科學家研制出了一種由多壁碳納米管形成的纖維狀薄涂層，是吸收率可以達到99%的新型超黑材料7，其吸收性能從紫外線到遠紅外線的這幾個波段均能獲得較完美的吸收效果。這是伴隨著紅外輻射新技術的研究和發(fā)展而研發(fā)出來的新型材料，碳納米管作為一種新型紅外吸收材料，其具有的宏觀量子隧道效應、表面效應及量子尺寸效應等都使得碳納米管對紅外光有較好吸收能力，是性能更加理想的紅外吸波材料。這給紅外吸收涂層的研究和發(fā)展提供了新的方向及思路。因此，研制理想的粘結劑使其能夠緊

3、實致密的覆蓋于基體上成為國內眾多學者的研究內容。本課題主要研究應用于低溫工作環(huán)境中的碳納米紅外吸收涂層的制備及性能分析，探究紅外吸收率高的紅外吸收基料配方和加工工藝以及其匹配的粘結劑等相關問題，從而制備出具有優(yōu)異的紅外吸收性能并與基體結合能力優(yōu)良的紅外吸收涂層。紅外探測器的工作原理隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的方式與類別越來越多樣化，戰(zhàn)爭對于軍隊的要求也越發(fā)的嚴苛，特別是其中的特種作戰(zhàn)部隊被要求具備在各種復雜環(huán)境下進行全地形作戰(zhàn)的能力。提到復雜環(huán)境，就不得不說到黑夜這一普遍存在于全球范圍內任何地方的照明不良環(huán)境。這也導致了全世界各個國家都在不遺余力的發(fā)展高性能的夜視裝備。紅外成像探測技術在軍事上得到了十分廣泛

4、的應用。人眼無法直接觀測紅外輻射，因此要判斷該輻射的存在并檢測其強度，需將其轉化為可測量的物理量?，F(xiàn)代紅外探測器的探測理論基礎為紅外熱效應以及光電效應，通過光電轉化將紅外熱輻射信息轉換為可度量的電信息，一次來實現(xiàn)黑暗環(huán)境中對目標熱輻射信息的可視化。發(fā)展較早的光電探測器基本都是半導體器件。主要有兩種類型：一類是光電導型，另一類是光伏型40。武器系統(tǒng)的發(fā)展史中，紅外探測器的研究起始于第二次世界大戰(zhàn)期間。隨著科技的持續(xù)不斷發(fā)展，許多領域已開始廣泛使用紅外探測器，紅外探測器也不斷的向低功耗、寬譜段、智能化、高分辨率、小型化和高靈敏的方向發(fā)展。從20世紀80年代起我國逐漸開始焦平面紅外探測器的研究。盡管

5、國內的第二代、第三代焦平面紅外技術在設備工藝、制冷以及材料設計等方面有了部分長足性進展，但是卻未能突破其中的一些關鍵技術，標準化與工程化的水平還需要有很大的進展；目前第四代紅外探測器才進入技術突破階段，國內只有極少的自主研制并可以量產的產品可以供軍方使用?？偟膩砜?，對比那些發(fā)達的國家，我國的紅外探測器技術水準還有相當大差距。紅外吸收涂層的研究現(xiàn)狀及應用紅外吸收技術不僅僅在軍事上面，在農業(yè)、醫(yī)療、航空航天及通訊等其它行業(yè)都具有相當廣泛且極其重要的作用。著科學技術的發(fā)展，人們逐漸進入利用階段，這些應用與作用的發(fā)揮都是以紅外吸收材料的突破和發(fā)展為基礎和前提的。紅外光最顯著的優(yōu)點是其自身具有熱效應，它

6、是一種波長為750-1nm的電磁波，它能夠被物質所吸收，然后使其內部的原子或分子產生振動，來使物體的溫度升高。與傳統(tǒng)的加熱干燥相比，紅外加熱可以節(jié)省燃料、升溫速度快并且質量穩(wěn)定，因此日常生活中已經被廣泛的利用。紅外吸收涂料的發(fā)展歷史開始于上世紀七十年代，當時由于中東地區(qū)局勢緊張，以及石油資源的壟斷爆發(fā)出的石油危機的影響，日本等一些發(fā)達國家紛紛開始在節(jié)能環(huán)保紅外輻射材料領域進行大量研究，并將其投入到工業(yè)加工的低溫干燥保溫爐的應用中去，在之后的相當一段時間內由于紅外輻射涂料的節(jié)能效率漸漸的得到了提高，慢慢地被推廣到工業(yè)爐應用中去了。目前，國內外學者對紅外吸收材料的研究和分析主要集中在工業(yè)生產中加熱

7、爐的快速升溫及干燥方面。在整個世界范圍內的能源危機爆發(fā)這么久以來，各個國家對于節(jié)能材料的研究和開發(fā)已日益迫切。1938年美國就已經有意識的對紅外技術進行了實際運用，如利用紅外熱效應對汽車的噴漆進行干燥等。與此同時，紅外吸收材料在軍事、醫(yī)療等方面的運用，也同樣開始受到極大重視。眾所周知，所有的物質一旦其自身溫度高于-273K，就要不斷向外界環(huán)境發(fā)射紅外輻射。由于軍事設施都是在高于絕對溫度的條件下服役，具有不同的輻射特征，在使用過程中容易暴露目標。因此如果使用特殊的紅外涂料，就能夠降低目標的紅外發(fā)射率，易于隱藏軍事目標。所以，紅外吸收材料的研制在特殊行業(yè)已經起到了不可替代的作用。隨著紅外吸收材料運

8、用領域的越來越多，它展現(xiàn)出了強大生命力和運用前景。由于紅外材料的運用條件也越來越苛刻，解決涂層制備后穩(wěn)定性的問題也是十分重要，所以對于材料的研制也更加困難，這是日益迫切問題。傳統(tǒng)的紅外吸收材料使用方法有兩種：一種是整體壓制然后燒結成型，；另一種是紅外吸收材料摻雜粘結劑后制成附于基體表面的涂層。在現(xiàn)代科學技術不斷進步的驅使之下，紅外吸收涂料成為當前社會上高精尖類的新型材料之一，具有非常開闊的發(fā)展前景以及非常強大的生命力。特別是隨著當前社會各行業(yè)技術的井噴式發(fā)展，許多科學技術的研究趨于成熟。這就導致了許多以前的技術所不能做到的科研手段得以實現(xiàn)。在此基礎上也就衍生了許多新型的設備、工藝及手段，為了配

9、合這些新型工藝手段使其能夠極大程度的發(fā)揮應有的效果就不得不不斷革新相關的紅外吸收涂料。隨著第三代紅外夜視儀的研發(fā)成功，更加需要有紅外吸收效果更好性能更加穩(wěn)定的新型紅外吸收材料與之相配合，研發(fā)新型紅外吸收涂料就顯得尤為迫切了。紅外吸收涂層基體的化學轉化膜銅的化學轉化是指在一定條件下，銅與溶液發(fā)生反應進而生產銅的氧化膜的方法。銅的黑化處理即為銅化學轉化反應中的一種。化學轉化實際上就是液固表面化學反應的過程，而且主要發(fā)生在金屬表面，通?；瘜W轉化反應中金屬提供陽離子，溶液提供陰離子，陽離子與陰離子反應后生成了附著于金屬基體上的穩(wěn)定化合物?；瘜W轉化生成的這種穩(wěn)定化合物就是化學轉化膜?；瘜W轉化過程非常復雜

10、大致可分成兩類，即電化學方法和化學方法。本課題對基體銅的預處理采用化學氧化轉化的方法。本論文研究內容1研制最佳碳納米紅外吸收基料配方：確定基料配比、球磨工藝，并通過分析確定最佳紅外吸收基料配方2分析使用涂層的漿料制備、基體處理、涂覆工藝和烘干溫度等工藝參數(shù)，并通過分析確定性能最佳的涂層配方工藝。3通過使用紅外吸收光譜（FT-IR）、X射線衍射（XRD）、XPS以及電子顯微鏡微觀形貌（SEM）、EDS等檢測手段，來對比分析使用水玻璃粘結劑和磷酸鹽粘結劑時，綜合性能最佳的紅外吸收涂層制備工藝及其機理，從而確定最佳性能的紅外吸收涂層工藝參數(shù)及流程。研究意義制冷型紅外探測器的探測元件通常需要在低溫環(huán)境

11、下工作，其中冷屏件位于杜瓦與探測器之間，需要起到可以吸收紅外雜散光的作用并且冷屏件的導熱效率要高，這樣才能起到降低杜瓦工作時的熱負荷同時縮短制冷啟動時間的目的，從而提高紅外探測元件的響應頻率。紅外吸收涂料早期是以各種氧化物混合后作為主要成分，紅外吸收涂料的組成、工藝路線和各項工藝參數(shù)的確定，都是較成熟的的方案。但碳納米管紅外吸收涂料的研究和應用還是空白的，碳納米管良好的的吸波性能在涂料領域也將得到充分發(fā)揮。本課題研究的主要內容是探索碳納米管紅外吸收涂層的制備工藝并進行性能分析，尋找各項性能比較理想的工業(yè)路線，讓碳納米管紅外吸收涂料的研究更近一步，豐富碳納米管在紅外吸收涂層應用方面的相關研究，加

12、速實際應用的可能性，為工業(yè)生產中的應用提供一定的理論依據(jù)。實驗本論文中實驗主要分為三個步驟進行。第一步，紅外吸收涂層基體銅的預處理：純銅片機械打磨烘干備用黑化反應酸洗水洗水洗堿洗水洗實驗第二步工藝流程主要是基料的配置碳納米管鎳粉紅外吸收基料混合球磨性能測試實驗第三步是紅外吸收涂層的制備紅外吸收涂料基料超聲振動水玻璃粘結劑高速攪拌混合涂料黑化處理的銅刷涂CNTs/Ni-水玻璃紅外吸收涂層相關性能檢測烘干性能分析 1黑化液配方 2碳納米管添加量 3球磨時間 4烘干溫度黑化液配方銅基體的黑化實驗以NaOH為活化劑，因此NaOH的含量對黑化過程非常重要。如果NaOH含量過高，它與溶液中的H2S2O8中

13、和反應過量，那么很少的H2S2O8對生成的氧化膜將不會起到很好的溶解作用，將會影響基體氧化膜和膜層的增后效果。NaOH濃度過低，則對H2S2O8的中和反應程度不夠，氧化膜一般會變成嫩紅色。查看文獻資料，純銅的化學氧化所用的NaOH含量一般在5080g/L。本實驗最終采用的NaOH濃度為60g/L。Na2S2O8是黑化液的氧化劑，是決定著本實驗能否成功的最重要指標。所以必須精確Na2S2O8 的含量。如果Na2S2O8 的含量過多，在黑化反應中會分解過多的H2SO4，會加劇氧化膜的溶解，造成嚴重的成膜層疏松脫落；Na2S2O8的含量不足，將會導致Na2S2O8分解產生的氧原子不足，影響黑化膜的形成。不同的工藝下，出現(xiàn)氣泡的時間也不同。查看之前的實驗記錄可以確定銅基體黑化反應最終的工藝參數(shù)：12g/L的Na2S2O8，使用溫度為50。經過預處理的銅放入黑化液中黑化6-8min。 黑化后的基體結合力影響因素有很多，包括黑化液中Na2S2O8和NaOH濃度、反應溫度和反應時間等都會對結合力產生一定的影響。碳納米管添加量對基料性能的影響將基料配置后，再滴加兩滴無水乙醇置于行星球磨機中，轉速設定為300r/min，球磨2h后測定其紅外吸收性能球磨時間對基料性能的影響分別對樣品L2進行2h、3h、4h、5h的球磨對比(球磨轉速為300r/min)，通過對球磨后的樣品進行粒度分析和表面