碳納米涂層性能研究

1、碳納米涂層性能研究材控122關(guān)一鳴201211604234課題研究背景紅外輻射又稱紅外光是波長(zhǎng)介于可見光與微波之間的電磁波，人眼無(wú)法察覺。若要檢測(cè)紅外光的存在并且測(cè)量它的輻射強(qiáng)度，唯一的辦法是將這種輻射轉(zhuǎn)換為可檢測(cè)并可以測(cè)量的其他物理量。紅外探測(cè)技術(shù)便是獲取此類信息的主要途徑手段之一,紅外探測(cè)系統(tǒng)的核心部件是紅外探測(cè)器，具有靈敏度高、探測(cè)距離遠(yuǎn)、分辨率好等特點(diǎn)。紅外探測(cè)器是將紅外輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以檢測(cè)測(cè)量的電信號(hào)并將其輸出的器件，其工作狀態(tài)下一般要通過(guò)低溫制冷來(lái)維持工作性能。隨著科技的不斷發(fā)展，各項(xiàng)研究表明現(xiàn)實(shí)存在著有許多紅外發(fā)射率較高的物質(zhì)。隨著材料設(shè)計(jì)和材料復(fù)合技術(shù)不斷的發(fā)展，紅外吸收材料

2、的物質(zhì)組成從單個(gè)物質(zhì)成分向復(fù)合型材料逐漸發(fā)展，紅外吸收材料的研制及其應(yīng)用被注入很多新的活力。與此同時(shí)它核心部分的紅外輻射材料也越來(lái)越受到重視，目前美國(guó)科學(xué)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(dá)到99%的新型超黑材料7，其吸收性能從紫外線到遠(yuǎn)紅外線的這幾個(gè)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(shù)的研究和發(fā)展而研發(fā)出來(lái)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(yīng)、表面效應(yīng)及量子尺寸效應(yīng)等都使得碳納米管對(duì)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(jié)劑使其能夠緊

3、實(shí)致密的覆蓋于基體上成為國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者的研究?jī)?nèi)容。本課題主要研究應(yīng)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(jié)劑等相關(guān)問(wèn)題，從而制備出具有優(yōu)異的紅外吸收性能并與基體結(jié)合能力優(yōu)良的紅外吸收涂層。紅外探測(cè)器的工作原理隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的方式與類別越來(lái)越多樣化，戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)于軍隊(duì)的要求也越發(fā)的嚴(yán)苛，特別是其中的特種作戰(zhàn)部隊(duì)被要求具備在各種復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行全地形作戰(zhàn)的能力。提到復(fù)雜環(huán)境，就不得不說(shuō)到黑夜這一普遍存在于全球范圍內(nèi)任何地方的照明不良環(huán)境。這也導(dǎo)致了全世界各個(gè)國(guó)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(cè)技術(shù)在軍事上得到了十分廣泛

4、的應(yīng)用。人眼無(wú)法直接觀測(cè)紅外輻射，因此要判斷該輻射的存在并檢測(cè)其強(qiáng)度，需將其轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的物理量?，F(xiàn)代紅外探測(cè)器的探測(cè)理論基礎(chǔ)為紅外熱效應(yīng)以及光電效應(yīng)，通過(guò)光電轉(zhuǎn)化將紅外熱輻射信息轉(zhuǎn)換為可度量的電信息，一次來(lái)實(shí)現(xiàn)黑暗環(huán)境中對(duì)目標(biāo)熱輻射信息的可視化。發(fā)展較早的光電探測(cè)器基本都是半導(dǎo)體器件。主要有兩種類型：一類是光電導(dǎo)型，另一類是光伏型40。武器系統(tǒng)的發(fā)展史中，紅外探測(cè)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(lǐng)域已開始廣泛使用紅外探測(cè)器，紅外探測(cè)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(jì)80年代起我國(guó)逐漸開始焦平面紅外探測(cè)器的研究。盡管

5、國(guó)內(nèi)的第二代、第三代焦平面紅外技術(shù)在設(shè)備工藝、制冷以及材料設(shè)計(jì)等方面有了部分長(zhǎng)足性進(jìn)展，但是卻未能突破其中的一些關(guān)鍵技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)化與工程化的水平還需要有很大的進(jìn)展；目前第四代紅外探測(cè)器才進(jìn)入技術(shù)突破階段，國(guó)內(nèi)只有極少的自主研制并可以量產(chǎn)的產(chǎn)品可以供軍方使用?？偟膩?lái)看，對(duì)比那些發(fā)達(dá)的國(guó)家，我國(guó)的紅外探測(cè)器技術(shù)水準(zhǔn)還有相當(dāng)大差距。紅外吸收涂層的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用紅外吸收技術(shù)不僅僅在軍事上面，在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、航空航天及通訊等其它行業(yè)都具有相當(dāng)廣泛且極其重要的作用。著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸進(jìn)入利用階段，這些應(yīng)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(chǔ)和前提的。紅外光最顯著的優(yōu)點(diǎn)是其自身具有熱效應(yīng)，它

6、是一種波長(zhǎng)為750-1nm的電磁波，它能夠被物質(zhì)所吸收，然后使其內(nèi)部的原子或分子產(chǎn)生振動(dòng)，來(lái)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(zhì)量穩(wěn)定，因此日常生活中已經(jīng)被廣泛的利用。紅外吸收涂料的發(fā)展歷史開始于上世紀(jì)七十年代，當(dāng)時(shí)由于中東地區(qū)局勢(shì)緊張，以及石油資源的壟斷爆發(fā)出的石油危機(jī)的影響，日本等一些發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛開始在節(jié)能環(huán)保紅外輻射材料領(lǐng)域進(jìn)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(yīng)用中去，在之后的相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)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(yīng)用中去了。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)紅外吸收材料的研究和分析主要集中在工業(yè)生產(chǎn)中加熱

7、爐的快速升溫及干燥方面。在整個(gè)世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)爆發(fā)這么久以來(lái)，各個(gè)國(guó)家對(duì)于節(jié)能材料的研究和開發(fā)已日益迫切。1938年美國(guó)就已經(jīng)有意識(shí)的對(duì)紅外技術(shù)進(jìn)行了實(shí)際運(yùn)用，如利用紅外熱效應(yīng)對(duì)汽車的噴漆進(jìn)行干燥等。與此同時(shí)，紅外吸收材料在軍事、醫(yī)療等方面的運(yùn)用，也同樣開始受到極大重視。眾所周知，所有的物質(zhì)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(shè)施都是在高于絕對(duì)溫度的條件下服役，具有不同的輻射特征，在使用過(guò)程中容易暴露目標(biāo)。因此如果使用特殊的紅外涂料，就能夠降低目標(biāo)的紅外發(fā)射率，易于隱藏軍事目標(biāo)。所以，紅外吸收材料的研制在特殊行業(yè)已經(jīng)起到了不可替代的作用。隨著紅外吸收材料運(yùn)

8、用領(lǐng)域的越來(lái)越多，它展現(xiàn)出了強(qiáng)大生命力和運(yùn)用前景。由于紅外材料的運(yùn)用條件也越來(lái)越苛刻，解決涂層制備后穩(wěn)定性的問(wèn)題也是十分重要，所以對(duì)于材料的研制也更加困難，這是日益迫切問(wèn)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(jié)成型，；另一種是紅外吸收材料摻雜粘結(jié)劑后制成附于基體表面的涂層。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的驅(qū)使之下，紅外吸收涂料成為當(dāng)前社會(huì)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(qiáng)大的生命力。特別是隨著當(dāng)前社會(huì)各行業(yè)技術(shù)的井噴式發(fā)展，許多科學(xué)技術(shù)的研究趨于成熟。這就導(dǎo)致了許多以前的技術(shù)所不能做到的科研手段得以實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上也就衍生了許多新型的設(shè)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(yīng)有的效果就不得不不斷革新相關(guān)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(xué)轉(zhuǎn)化膜銅的化學(xué)轉(zhuǎn)化是指在一定條件下，銅與溶液發(fā)生反應(yīng)進(jìn)而生產(chǎn)銅的氧化膜的方法。銅的黑化處理即為銅化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)中的一種?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)化實(shí)際上就是液固表面化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，而且主要發(fā)生在金屬表面，通?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)中金屬提供陽(yáng)離子，溶液提供陰離子，陽(yáng)離子與陰離子反應(yīng)后生成了附著于金屬基體上的穩(wěn)定化合物?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)化生成的這種穩(wěn)定化合物就是化學(xué)轉(zhuǎn)化膜?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程非常復(fù)雜

10、大致可分成兩類，即電化學(xué)方法和化學(xué)方法。本課題對(duì)基體銅的預(yù)處理采用化學(xué)氧化轉(zhuǎn)化的方法。本論文研究?jī)?nèi)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(guò)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(guò)分析確定性能最佳的涂層配方工藝。3通過(guò)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(cè)手段，來(lái)對(duì)比分析使用水玻璃粘結(jié)劑和磷酸鹽粘結(jié)劑時(shí)，綜合性能最佳的紅外吸收涂層制備工藝及其機(jī)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(cè)器的探測(cè)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(cè)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(dǎo)熱效率要高，這樣才能起到降低杜瓦工作時(shí)的熱負(fù)荷同時(shí)縮短制冷啟動(dòng)時(shí)間的目的，從而提高紅外探測(cè)元件的響應(yīng)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(xiàng)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(yīng)用還是空白的，碳納米管良好的的吸波性能在涂料領(lǐng)域也將得到充分發(fā)揮。本課題研究的主要內(nèi)容是探索碳納米管紅外吸收涂層的制備工藝并進(jìn)行性能分析，尋找各項(xiàng)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(yīng)用方面的相關(guān)研究，加

12、速實(shí)際應(yīng)用的可能性，為工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。實(shí)驗(yàn)本論文中實(shí)驗(yàn)主要分為三個(gè)步驟進(jìn)行。第一步，紅外吸收涂層基體銅的預(yù)處理：純銅片機(jī)械打磨烘干備用黑化反應(yīng)酸洗水洗水洗堿洗水洗實(shí)驗(yàn)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(cè)試實(shí)驗(yàn)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(dòng)水玻璃粘結(jié)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(guān)性能檢測(cè)烘干性能分析 1黑化液配方 2碳納米管添加量 3球磨時(shí)間 4烘干溫度黑化液配方銅基體的黑化實(shí)驗(yàn)以NaOH為活化劑，因此NaOH的含量對(duì)黑化過(guò)程非常重要。如果NaOH含量過(guò)高，它與溶液中的H2S2O8中

13、和反應(yīng)過(guò)量，那么很少的H2S2O8對(duì)生成的氧化膜將不會(huì)起到很好的溶解作用，將會(huì)影響基體氧化膜和膜層的增后效果。NaOH濃度過(guò)低，則對(duì)H2S2O8的中和反應(yīng)程度不夠，氧化膜一般會(huì)變成嫩紅色。查看文獻(xiàn)資料，純銅的化學(xué)氧化所用的NaOH含量一般在5080g/L。本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ淖钪匾笜?biāo)。所以必須精確Na2S2O8 的含量。如果Na2S2O8 的含量過(guò)多，在黑化反應(yīng)中會(huì)分解過(guò)多的H2SO4，會(huì)加劇氧化膜的溶解，造成嚴(yán)重的成膜層疏松脫落；Na2S2O8的含量不足，將會(huì)導(dǎo)致Na2S2O8分解產(chǎn)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(shí)間也不同。查看之前的實(shí)驗(yàn)記錄可以確定銅基體黑化反應(yīng)最終的工藝參數(shù)：12g/L的Na2S2O8，使用溫度為50。經(jīng)過(guò)預(yù)處理的銅放入黑化液中黑化6-8min。 黑化后的基體結(jié)合力影響因素有很多，包括黑化液中Na2S2O8和NaOH濃度、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間等都會(huì)對(duì)結(jié)合力產(chǎn)生一定的影響。碳納米管添加量對(duì)基料性能的影響將基料配置后，再滴加兩滴無(wú)水乙醇置于行星球磨機(jī)中，轉(zhuǎn)速設(shè)定為300r/min，球磨2h后測(cè)定其紅外吸收性能球磨時(shí)間對(duì)基料性能的影響分別對(duì)樣品L2進(jìn)行2h、3h、4h、5h的球磨對(duì)比(球磨轉(zhuǎn)速為300r/min)，通過(guò)對(duì)球磨后的樣品進(jìn)行粒度分析和表面