碳纳米涂层性能研究

1、碳纳米涂层性能研究材控122关一鸣201211604234课题研究背景红外辐射又称红外光是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼无法察觉。若要检测红外光的存在并且测量它的辐射强度，唯一的办法是将这种辐射转换为可检测并可以测量的其他物理量。红外探测技术便是获取此类信息的主要途径手段之一,红外探测系统的核心部件是红外探测器，具有灵敏度高、探测距离远、分辨率好等特点。红外探测器是将红外辐射信号转换成可以检测测量的电信号并将其输出的器件，其工作状态下一般要通过低温制冷来维持工作性能。随着科技的不断发展，各项研究表明现实存在着有许多红外发射率较高的物质。随着材料设计和材料复合技术不断的发展，红外吸收材料

2、的物质组成从单个物质成分向复合型材料逐渐发展，红外吸收材料的研制及其应用被注入很多新的活力。与此同时它核心部分的红外辐射材料也越来越受到重视，目前美国科学家研制出了一种由多壁碳纳米管形成的纤维状薄涂层，是吸收率可以达到99%的新型超黑材料7，其吸收性能从紫外线到远红外线的这几个波段均能获得较完美的吸收效果。这是伴随着红外辐射新技术的研究和发展而研发出来的新型材料，碳纳米管作为一种新型红外吸收材料，其具有的宏观量子隧道效应、表面效应及量子尺寸效应等都使得碳纳米管对红外光有较好吸收能力，是性能更加理想的红外吸波材料。这给红外吸收涂层的研究和发展提供了新的方向及思路。因此，研制理想的粘结剂使其能够紧

3、实致密的覆盖于基体上成为国内众多学者的研究内容。本课题主要研究应用于低温工作环境中的碳纳米红外吸收涂层的制备及性能分析，探究红外吸收率高的红外吸收基料配方和加工工艺以及其匹配的粘结剂等相关问题，从而制备出具有优异的红外吸收性能并与基体结合能力优良的红外吸收涂层。红外探测器的工作原理随着现代战争的方式与类别越来越多样化，战争对于军队的要求也越发的严苛，特别是其中的特种作战部队被要求具备在各种复杂环境下进行全地形作战的能力。提到复杂环境，就不得不说到黑夜这一普遍存在于全球范围内任何地方的照明不良环境。这也导致了全世界各个国家都在不遗余力的发展高性能的夜视装备。红外成像探测技术在军事上得到了十分广泛

4、的应用。人眼无法直接观测红外辐射，因此要判断该辐射的存在并检测其强度，需将其转化为可测量的物理量。现代红外探测器的探测理论基础为红外热效应以及光电效应，通过光电转化将红外热辐射信息转换为可度量的电信息，一次来实现黑暗环境中对目标热辐射信息的可视化。发展较早的光电探测器基本都是半导体器件。主要有两种类型：一类是光电导型，另一类是光伏型40。武器系统的发展史中，红外探测器的研究起始于第二次世界大战期间。随着科技的持续不断发展，许多领域已开始广泛使用红外探测器，红外探测器也不断的向低功耗、宽谱段、智能化、高分辨率、小型化和高灵敏的方向发展。从20世纪80年代起我国逐渐开始焦平面红外探测器的研究。尽管

5、国内的第二代、第三代焦平面红外技术在设备工艺、制冷以及材料设计等方面有了部分长足性进展，但是却未能突破其中的一些关键技术，标准化与工程化的水平还需要有很大的进展；目前第四代红外探测器才进入技术突破阶段，国内只有极少的自主研制并可以量产的产品可以供军方使用。总的来看，对比那些发达的国家，我国的红外探测器技术水准还有相当大差距。红外吸收涂层的研究现状及应用红外吸收技术不仅仅在军事上面，在农业、医疗、航空航天及通讯等其它行业都具有相当广泛且极其重要的作用。着科学技术的发展，人们逐渐进入利用阶段，这些应用与作用的发挥都是以红外吸收材料的突破和发展为基础和前提的。红外光最显著的优点是其自身具有热效应，它

6、是一种波长为750-1nm的电磁波，它能够被物质所吸收，然后使其内部的原子或分子产生振动，来使物体的温度升高。与传统的加热干燥相比，红外加热可以节省燃料、升温速度快并且质量稳定，因此日常生活中已经被广泛的利用。红外吸收涂料的发展历史开始于上世纪七十年代，当时由于中东地区局势紧张，以及石油资源的垄断爆发出的石油危机的影响，日本等一些发达国家纷纷开始在节能环保红外辐射材料领域进行大量研究，并将其投入到工业加工的低温干燥保温炉的应用中去，在之后的相当一段时间内由于红外辐射涂料的节能效率渐渐的得到了提高，慢慢地被推广到工业炉应用中去了。目前，国内外学者对红外吸收材料的研究和分析主要集中在工业生产中加热

7、炉的快速升温及干燥方面。在整个世界范围内的能源危机爆发这么久以来，各个国家对于节能材料的研究和开发已日益迫切。1938年美国就已经有意识的对红外技术进行了实际运用，如利用红外热效应对汽车的喷漆进行干燥等。与此同时，红外吸收材料在军事、医疗等方面的运用，也同样开始受到极大重视。众所周知，所有的物质一旦其自身温度高于-273K，就要不断向外界环境发射红外辐射。由于军事设施都是在高于绝对温度的条件下服役，具有不同的辐射特征，在使用过程中容易暴露目标。因此如果使用特殊的红外涂料，就能够降低目标的红外发射率，易于隐藏军事目标。所以，红外吸收材料的研制在特殊行业已经起到了不可替代的作用。随着红外吸收材料运

8、用领域的越来越多，它展现出了强大生命力和运用前景。由于红外材料的运用条件也越来越苛刻，解决涂层制备后稳定性的问题也是十分重要，所以对于材料的研制也更加困难，这是日益迫切问题。传统的红外吸收材料使用方法有两种：一种是整体压制然后烧结成型，；另一种是红外吸收材料掺杂粘结剂后制成附于基体表面的涂层。在现代科学技术不断进步的驱使之下，红外吸收涂料成为当前社会上高精尖类的新型材料之一，具有非常开阔的发展前景以及非常强大的生命力。特别是随着当前社会各行业技术的井喷式发展，许多科学技术的研究趋于成熟。这就导致了许多以前的技术所不能做到的科研手段得以实现。在此基础上也就衍生了许多新型的设备、工艺及手段，为了配

9、合这些新型工艺手段使其能够极大程度的发挥应有的效果就不得不不断革新相关的红外吸收涂料。随着第三代红外夜视仪的研发成功，更加需要有红外吸收效果更好性能更加稳定的新型红外吸收材料与之相配合，研发新型红外吸收涂料就显得尤为迫切了。红外吸收涂层基体的化学转化膜铜的化学转化是指在一定条件下，铜与溶液发生反应进而生产铜的氧化膜的方法。铜的黑化处理即为铜化学转化反应中的一种。化学转化实际上就是液固表面化学反应的过程，而且主要发生在金属表面，通常化学转化反应中金属提供阳离子，溶液提供阴离子，阳离子与阴离子反应后生成了附着于金属基体上的稳定化合物。化学转化生成的这种稳定化合物就是化学转化膜。化学转化过程非常复杂

10、大致可分成两类，即电化学方法和化学方法。本课题对基体铜的预处理采用化学氧化转化的方法。本论文研究内容1研制最佳碳纳米红外吸收基料配方：确定基料配比、球磨工艺，并通过分析确定最佳红外吸收基料配方2分析使用涂层的浆料制备、基体处理、涂覆工艺和烘干温度等工艺参数，并通过分析确定性能最佳的涂层配方工艺。3通过使用红外吸收光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）、XPS以及电子显微镜微观形貌（SEM）、EDS等检测手段，来对比分析使用水玻璃粘结剂和磷酸盐粘结剂时，综合性能最佳的红外吸收涂层制备工艺及其机理，从而确定最佳性能的红外吸收涂层工艺参数及流程。研究意义制冷型红外探测器的探测元件通常需要在低温环境

11、下工作，其中冷屏件位于杜瓦与探测器之间，需要起到可以吸收红外杂散光的作用并且冷屏件的导热效率要高，这样才能起到降低杜瓦工作时的热负荷同时缩短制冷启动时间的目的，从而提高红外探测元件的响应频率。红外吸收涂料早期是以各种氧化物混合后作为主要成分，红外吸收涂料的组成、工艺路线和各项工艺参数的确定，都是较成熟的的方案。但碳纳米管红外吸收涂料的研究和应用还是空白的，碳纳米管良好的的吸波性能在涂料领域也将得到充分发挥。本课题研究的主要内容是探索碳纳米管红外吸收涂层的制备工艺并进行性能分析，寻找各项性能比较理想的工业路线，让碳纳米管红外吸收涂料的研究更近一步，丰富碳纳米管在红外吸收涂层应用方面的相关研究，加

12、速实际应用的可能性，为工业生产中的应用提供一定的理论依据。实验本论文中实验主要分为三个步骤进行。第一步，红外吸收涂层基体铜的预处理：纯铜片机械打磨烘干备用黑化反应酸洗水洗水洗碱洗水洗实验第二步工艺流程主要是基料的配置碳纳米管镍粉红外吸收基料混合球磨性能测试实验第三步是红外吸收涂层的制备红外吸收涂料基料超声振动水玻璃粘结剂高速搅拌混合涂料黑化处理的铜刷涂CNTs/Ni-水玻璃红外吸收涂层相关性能检测烘干性能分析 1黑化液配方 2碳纳米管添加量 3球磨时间 4烘干温度黑化液配方铜基体的黑化实验以NaOH为活化剂，因此NaOH的含量对黑化过程非常重要。如果NaOH含量过高，它与溶液中的H2S2O8中

13、和反应过量，那么很少的H2S2O8对生成的氧化膜将不会起到很好的溶解作用，将会影响基体氧化膜和膜层的增后效果。NaOH浓度过低，则对H2S2O8的中和反应程度不够，氧化膜一般会变成嫩红色。查看文献资料，纯铜的化学氧化所用的NaOH含量一般在5080g/L。本实验最终采用的NaOH浓度为60g/L。Na2S2O8是黑化液的氧化剂，是决定着本实验能否成功的最重要指标。所以必须精确Na2S2O8 的含量。如果Na2S2O8 的含量过多，在黑化反应中会分解过多的H2SO4，会加剧氧化膜的溶解，造成严重的成膜层疏松脱落；Na2S2O8的含量不足，将会导致Na2S2O8分解产生的氧原子不足，影响黑化膜的形成。不同的工艺下，出现气泡的时间也不同。查看之前的实验记录可以确定铜基体黑化反应最终的工艺参数：12g/L的Na2S2O8，使用温度为50。经过预处理的铜放入黑化液中黑化6-8min。 黑化后的基体结合力影响因素有很多，包括黑化液中Na2S2O8和NaOH浓度、反应温度和反应时间等都会对结合力产生一定的影响。碳纳米管添加量对基料性能的影响将基料配置后，再滴加两滴无水乙醇置于行星球磨机中，转速设定为300r/min，球磨2h后测定其红外吸收性能球磨时间对基料性能的影响分别对样品L2进行2h、3h、4h、5h的球磨对比(球磨转速为300r/min)，通过对球磨后的样品进行粒度分析和表面