连续调节物体红外发射率的方法和基于此的红外功能表面

本发明涉及功能材料技术领域，尤其涉及一种连续调节物体红外发射率的方法和基于此的红外功能表面。

背景技术：

红外辐射是人眼看不见的光线，又称为红外光或红外线，是指波长在0.78～1000μm波段的电磁波，由英国科学家赫谢尔在1800年发现。随着红外物理与技术的发展，加速了红外光学材料以及工业、交通、科学和医学红外技术的应用研究。如天文学中，金星大气中含有大量二氧化碳气体，木星、土星、天王星和海王星的大气中含有大量沼气都是借助红外探测仪器确定的。

物体红外辐射的出射度需要根据应用方向的不同来进行调控。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律：m＝εσt⁴(其中ε为物体发射率，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，t为物体绝对温度)，辐射出射度与ε和t的4次方成正比，因此通过调节物体的温度与发射率可以实现对辐射出射度的调节。由于温度较难调控，现有改变辐射出射度最常用的方法是在物体表面制作不同发射率的涂层。

目前的红外涂料主要是通过改变涂料中颜料与粘结剂的比例来实现对涂料发射率的调节，但这种调节方式是不连续的，且需要大量前期实验来得到满足发射率要求的涂料，成本较高。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种连续调节物体红外发射率的方法和基于此的红外功能表面。

本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种连续调节物体红外发射率的方法，包括在物体表面设置调控材料层，所述调控材料层在垂直于所述物体表面方向设有多个贯穿孔，通过调节所述物体从所述贯穿孔中暴露出的面积大小，实现红外发射率的连续调节。

本发明通过在物体表面设置发射率与物体不同的调控材料层，然后调节调控材料层在其与物体形成的整体表面(即调控材料层表面与贯穿孔中暴露的物体表面构成的整体)所占面积来实现红外发射率的连续调节，结果表明，在3～5μm和8～14μm可实现红外发射率0.1～0.9的连续可调。该方法相较于传统的在物体表面制作不同发射率的涂层，成本较低，可简单高效地调节物体的红外发射率，对建筑外墙保温、节能减排等应用具有重要意义。

进一步地，所述调控材料层与所述物体在3-5μm和8-14μm波段的红外发射率相差0.6以上。当调控材料层与物体的红外发射率相差0.6以上，才能较大限度地调节整体的红外发射率。

进一步地，所述物体为金属时，所述调控材料层选用石墨或硼；

所述物体为聚氨酯海绵、蜜胺泡绵等弹性多孔材料时，所述调控材料层选用金、银、铜、铝或铂等金属。

进一步地，所述调控材料层选用金属材料时，采用磁控溅射法或电子束蒸发的方式进行沉积，所述调控材料层选用非金属材料时，采用热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射的方式进行沉积。

优选地，在将调控材料层设置到物体表面前，对两者都进行清洗。所述清洗优选依次使用丙酮、乙醇以及去离子水超声清洗。

进一步地，所述贯穿孔为孔径为100～500μm、孔距为500～1500μm的微孔阵列。所述贯穿孔的孔径与孔距也会对整体发射率的调节范围产生影响。本发明将贯穿孔设置为具有上述孔径和孔径的微孔阵列，有利于获得更宽的发射率调节范围，且物体整体的发射率较为均一。

本发明调控材料层中的贯穿孔可采用激光或湿法刻蚀等方法制作。

进一步地，本发明调节所述物体从所述贯穿孔中暴露出的面积大小的方法可以为拉伸所述调控材料层以使所述贯穿孔横截面积变大。使贯穿孔横截面积变大，则从贯穿孔中暴露出的物体表面所占面积比例变大，从而整体红外发射率变化，在调节过程中，一旦调整得到目标发射率，则固定调控材料层使其贯穿孔横截面积不再变化。

进一步地，本发明调节所述物体从所述贯穿孔中暴露出的面积大小的方法可以为：将所述调控材料层设置为可相对运动的双层结构，通过平移或旋转使双层结构发生相对位移，从而使调控材料层整体的贯穿孔面积发生变化。

本发明还提供基于上述连续调节物体红外发射率方法的红外功能表面。

即本发明提供一种红外发射率连续可调的红外功能表面，包括基底材料层和设置于所述基底材料层表面的调控材料层；所述基底材料层的厚度大于1mm，所述调控材料层在垂直于所述基底材料层表面方向设有多个贯穿孔。所述调控材料层的厚度无特殊要求。

本发明利用红外辐射的发射率只与物体的表面状态有关，通过调节基底材料层与调控材料层在整体表面中所占面积的不同，获得一种红外发射率连续可调的红外功能表面。

在本发明一个优选实施方式中，所述调控材料层由弹性载体表面沉积调控材料构成，所述弹性载体优选为天然橡胶。

在本发明另一个优选实施方式中，所述调控材料层为可相对运动的双层结构，所述双层结构的材质均采用调控材料。

进一步地，所述调控材料与基底材料在3-5μm和8-14μm波段的红外发射率相差0.6以上。

进一步地，所述基底材料为金属时，所述调控材料选用石墨或硼；

所述基底材料为聚氨酯海绵、蜜胺泡绵等弹性多孔材料时，所述调控材料选用金、银、铜、铝或铂等金属。

进一步地，所述贯穿孔为孔径为100～500μm、孔距为500～1500μm的微孔阵列。

本发明提供了一种连续调节物体红外发射率的方法和基于此的红外功能表面，通过在物体表面设置发射率与物体不同的调控材料层，然后调节调控材料层在其与物体形成的整体表面所占面积比例，实现了在3～5μm和8～14μm波段红外发射率0.1～0.9的连续可调。该方法相较于传统的在物体表面制作不同发射率的涂层，工艺简单、成本低、重复性好且可以大面积应用，对建筑外墙保温、节能减排等应用具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例1中发射率连续可调的红外功能表面的结构示意图；

图2为实施例1中实际测得的红外功能表面整体结构在3-5μm和8-14μm波段发射率的调节范围；

图3为实施例2中实际测得的红外功能表面整体结构在3-5μm和8-14μm波段发射率的调节范围。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种连续调节物体红外发射率的方法，包括在物体表面设置调控材料层，所述调控材料层在垂直于所述物体表面方向设有多个贯穿孔，通过调节所述物体从所述贯穿孔中暴露出的面积大小，实现红外发射率的连续调节。

其中，所述贯穿孔为孔径为100～500μm、孔距为500～1500μm的微孔阵列。

所述调控材料层与所述物体在3-5μm和8-14μm波段的红外发射率相差0.6以上，以便较大限度地调节整体的红外发射率。

本实施例中，当所述物体为金属时，所述调控材料层选用石墨或硼；

当所述物体为聚氨酯海绵、蜜胺泡绵等弹性多孔材料时，所述调控材料层选用金、银、铜、铝或铂等金属。

实施例1

本实施例提供一种发射率连续可调的红外功能表面，其结构示意图如图1所示，由基底材料层和设于基底材料层上方的调控材料层组成。

其中，基底材料层为高发射率的聚乳酸(pla)，厚度为5mm。

调控材料层为镀铝的天然橡胶，总厚度为0.5mm，其中铝的厚度与天然橡胶的厚度比例没有特殊要求，满足调控材料层发射率为0.15左右即可。本实施例中铝的沉积方法为热蒸发。调控材料层设有微孔阵列以使基底材料层的表面一部分暴露出来。本实施例中微孔阵列的加工方法为激光加工，微孔的孔径为100μm，孔距为500μm。

本实施例中该红外功能表面调节红外发射率的方式为对调控材料层进行等轴拉伸。

根据本实施例中使用的整体结构，测试其在调控材料层的面积变化时3-5μm和8-14μm波段的红外发射率，结果如图2所示，调控材料层因拉伸面积变大，则微孔面积变大，暴露出的基底材料面积变大，整体发射率变大。可以看出，本实施例最终实现的红外发射率调节范围为0.1～0.5。

实施例2

本实施例提供一种发射率连续可调的红外功能表面，由基底材料层和设于基底材料层上方的调控材料层组成。

其中，基底材料层为高发射率的聚乳酸(pla)，厚度为5mm。

调控材料层为镀银的天然橡胶，总厚度为0.5mm，其中银的厚度与天然橡胶的厚度比例没有特殊要求，满足调控材料层发射率为0.15左右即可。本实施例中银的沉积方法为磁控溅射。调控材料层设有微孔阵列以使基底材料层的表面一部分暴露出来。本实施例中微孔阵列的加工方法为激光加工，微孔的孔径为500μm，孔距为1500μm。

本实施例中该红外功能表面调节红外发射率的方式为对调控材料层进行等轴拉伸。

根据本实施例中使用的整体结构，测试其在调控材料层的面积变化时3-5μm和8-14μm波段的红外发射率，结果如图3所示，调控材料层因拉伸面积变大，则微孔面积变大，暴露出的基底材料面积变大，整体发射率变大。可以看出，本实施例最终实现的红外发射率调节范围为0.2～0.75。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。