一種在鈦合金基底生長(zhǎng)超強(qiáng)光吸收碳納米管涂層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碳納米管涂層的生成方法，可用于鈦合金基底制備的檔光板、遮光罩等光學(xué)器件的雜光抑制。
【背景技術(shù)】
[0002]最近幾年，隨著碳納米管技術(shù)的發(fā)展，碳納米管超黑材料的特性逐漸被人們所認(rèn)識(shí)。所謂超黑材料，就是其對(duì)光的幾乎全譜段的吸收比都能達(dá)到99%以上。在硅基底上已經(jīng)有學(xué)者進(jìn)行過(guò)碳納米管的生長(zhǎng)測(cè)試，并發(fā)表了相關(guān)的論文，但是對(duì)于碳納米管在金屬基底上的生長(zhǎng)工藝和金屬基底碳納米管的固著特性還鮮有研宄。
[0003]在金屬基底上噴涂或者生長(zhǎng)黑色吸光涂層技術(shù)可應(yīng)用于多種場(chǎng)合，如航天光電儀器的消雜光擋板、漫輻射標(biāo)定面光源、均勻散熱吸熱材料等，其中用于吸光涂層的情況中最常用的是星敏感器和照相機(jī)的消雜光遮光罩，這種產(chǎn)品一般不能用玻璃等脆性易碎、強(qiáng)度不高的材料作為基底，所以現(xiàn)有的碳納米管與非金屬基底上生長(zhǎng)的技術(shù)不能直接使用，需要研宄碳納米管在金屬基底上生長(zhǎng)的新工藝。而由于碳納米管生長(zhǎng)一般需要不少于600°C的高溫環(huán)境，因此，需要研宄在鈦合金等高熔點(diǎn)的金屬基底上生長(zhǎng)碳納米管的新技術(shù)。
[0004]已有技術(shù)中的遮光罩采用黑漆或者黑色陽(yáng)極化涂層作為光吸收材料，存在光吸收比不夠高的問(wèn)題，因此造成在同樣消雜光的能力下，消雜光裝置，如遮光罩等的體積重量較大。如果能采用碳納米管替換現(xiàn)有的消雜光黑色涂層(黑漆或陽(yáng)極化發(fā)黑等)，那么以碳納米管的超黑特性，其光吸收將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有技術(shù)中的材料，可以顯著的提高雜光抑制效果。在金屬基底上生長(zhǎng)超強(qiáng)光吸收碳納米管的難點(diǎn)在于，碳納米管在金屬基底生長(zhǎng)的定向性控制和附著牢固性工藝，目前這種工藝方法鮮見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種在鈦合金基底上生長(zhǎng)超強(qiáng)光吸收碳納米管涂層的方法，按照此方法生長(zhǎng)出來(lái)的碳納米管涂層可以牢固地附著在鈦合金表面，起到超強(qiáng)吸收光輻射的作用，適用于各種光電、光學(xué)儀器設(shè)備、均勻漫反射表面等，尤其對(duì)于微弱信號(hào)探測(cè)的儀器設(shè)備更加有功效，如航天器用的恒星測(cè)量敏感器等，相對(duì)于傳統(tǒng)采用消光黑漆消除雜光的方式，可以顯著提高消除雜光的能力。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種在鈦合金基底生長(zhǎng)超強(qiáng)光吸收碳納米管涂層的方法，包括如下步驟:
[0007](I)采用打磨方式對(duì)鈦合金樣件表面進(jìn)行毛化處理，使得經(jīng)過(guò)打磨的鈦合金樣件表面具有劃痕；
[0008](2)對(duì)經(jīng)過(guò)打磨的鈦合金樣件進(jìn)行清洗，去除有機(jī)污染物；
[0009](3)將鈦合金樣件放入烘干箱烘干；
[0010](4)將鈦合金樣件從烘干箱取出，冷卻后用清水對(duì)鈦合金樣件進(jìn)行清洗；
[0011 ] (5)再次將鈦合金樣件放入烘干箱烘干；
[0012](6)對(duì)鈦合金樣件進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)處理，使得鈦合金樣件的表面形成微觀刻鏤微納米結(jié)構(gòu)；或者在鈦合金樣件的表面鍍上鋁鎳雙金屬中間緩沖層；
[0013](7)將步驟(6)處理過(guò)的鈦合金樣件置入碳納米管反應(yīng)爐中；
[0014](8)往碳納米管反應(yīng)爐中通入氬氣，同時(shí)碳納米管反應(yīng)爐開始加熱至碳納米管生長(zhǎng)所需溫度；
[0015](9)當(dāng)氬氣充滿碳納米管反應(yīng)爐后，調(diào)整氬氣流量到1000?2000mL/min，同時(shí)通入300?500mL/min的氫氣；
[0016](10)當(dāng)氫氣流量穩(wěn)定并充滿碳納米管反應(yīng)爐后，按照預(yù)定的反應(yīng)速度向碳納米管反應(yīng)爐內(nèi)通入氣態(tài)碳源或引入霧狀液態(tài)碳源；
[0017](11)根據(jù)碳納米管陣列所需長(zhǎng)度設(shè)定反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)完畢后，切斷氫氣，停止加熱，并調(diào)小氬氣的流量至100mL/min?150mL/min，待冷卻至室溫后取出鈦合金樣件；
[0018](12)如果步驟￠)中是對(duì)鈦合金樣件進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)處理，則碳納米管涂層制作完成；如果步驟(6)中是對(duì)鈦合金樣件的表面鍍上鋁鎳雙金屬中間緩沖層，則將得到的鈦合金樣件放入高溫爐中，快速升溫至880°C?920°C，持續(xù)I分鐘至10分鐘，而后高溫爐降溫，取出鈦合金樣件，由此完成碳納米管涂層的制作。
[0019]所述步驟￠)中采用電化學(xué)反應(yīng)處理形成微觀刻鏤微納米結(jié)構(gòu)的方法為:采用電化學(xué)反應(yīng)處理工藝對(duì)鈦合金樣件進(jìn)行表面處理，去除掉表面的部分金屬，使得殘留的部分在表面上呈現(xiàn)出微細(xì)毛化結(jié)構(gòu)。
[0020]所述步驟￠)中在鈦合金樣件的表面鍍上鋁鎳雙金屬中間緩沖層的方法為:首先在鈦合金樣件表面蒸鍍或?yàn)R射沉積厚度3?1nm的鋁鎳雙金屬，然后進(jìn)行預(yù)熱處理，使得雙金屬中間緩沖層轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸锿繉雍徒饘偌{米顆粒雙層結(jié)構(gòu)，預(yù)熱溫度范圍400°C?600。。。
[0021]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0022]1.采用本發(fā)明提供的生長(zhǎng)表面微納化和增鍍過(guò)渡層工藝，可以使得在金屬基底(鈦合金)上生長(zhǎng)碳納米管的牢固度和序列化程度增強(qiáng)，克服了在金屬基底生長(zhǎng)碳納米管可能造成的不牢固和生長(zhǎng)方向紊亂的問(wèn)題；
[0023]2.利用本發(fā)明方法生長(zhǎng)出來(lái)的金屬基底碳納米管涂層具有超高光吸收比，超過(guò)了現(xiàn)有技術(shù)中的光吸收涂層光吸收能力的極限水平，可以實(shí)現(xiàn)更高光吸收要求的應(yīng)用場(chǎng)合；
[0024]3.在吸收光譜段寬度上，采用金屬基底碳納米管涂層可以吸收紫外、可見光、近紅夕卜、遠(yuǎn)紅外、微波等全波譜段，而現(xiàn)有大部分吸光材料涂層只能吸收可見光和近紅外譜段，在近紅外譜段的吸光能力明顯下降；
[0025]4.由于本發(fā)明所提供的碳納米管超黑涂層在吸光能力上遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)材料，因此使得利用本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的遮光罩等消雜光裝置的外形尺寸和重量可以大大下降。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為本發(fā)明方法的流程圖；
[0027]圖2為碳納米管反應(yīng)爐結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]如圖1所示，為本發(fā)明方法的流程框圖，主要步驟如下:
[0029]I)采用超細(xì)砂紙或者同類打磨方式對(duì)鈦合金樣件表面進(jìn)行粗毛化處理，使得經(jīng)過(guò)打磨的鈦合金樣件表面具有細(xì)微劃痕，對(duì)于碳納米管(CNT，Carbon Nanometer Tube)生長(zhǎng)有利；
[0030]2)用酒精或者丙酮等有機(jī)溶劑對(duì)經(jīng)過(guò)打磨的鈦合金樣件進(jìn)行清洗，去除有機(jī)物污染物，如油漬和積垢，以防高溫下?lián)]發(fā)出來(lái)的有機(jī)物影響碳源和催化劑之間的反應(yīng)，并防止冷卻后污染碳納米管反應(yīng)爐(如圖2所示)的石英管壁；
[0031]3)有機(jī)清洗完成后，將鈦合金樣件放入烘干箱烘干，烘干溫度控制在150°C以下，以便使有機(jī)溶劑得以蒸發(fā)干凈，同時(shí)保證能快速冷卻；
[0032]4)將鈦合金樣件從烘干箱取出，置于20°C ±5°C的室溫環(huán)境，冷卻后，接著用清水對(duì)鈦合金樣件進(jìn)行清洗，去掉表面浮塵和殘留物，保證后續(xù)表面處理的正常進(jìn)行；
[0033]5)水清洗完成后，再次將鈦合金樣件放入烘干箱烘干，烘干溫度控制在120°C以下；此溫度可以保證水被蒸發(fā)，同時(shí)可保證更快的冷卻速度，避免空氣中暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)引起新的污染；
[0034]6)為增強(qiáng)碳納米管在金屬基底上的附著強(qiáng)度，可采用兩種方法對(duì)生長(zhǎng)表面進(jìn)行預(yù)處理，一是對(duì)鈦合金樣件進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)處理，使得鈦合金樣件的表面形成微觀刻鏤微納米結(jié)構(gòu)；二是在鈦合金樣件的表面鍍上鋁鎳雙金屬中間緩沖層。這兩種方法均可增強(qiáng)碳納米管涂層在鈦合金基底上的固著力，使用哪種方法可以根據(jù)所擁有的技術(shù)裝備條件。
[0035]下面對(duì)兩種方法分別進(jìn)行描述。
[0036](a)采用電化學(xué)反應(yīng)處理使生長(zhǎng)表面產(chǎn)生微納化結(jié)構(gòu)
[0037]首先采用電化學(xué)反應(yīng)處理工藝(在三電極電化學(xué)系統(tǒng)中