一种具有分级光吸收结构的超黑涂层及其制备方法和应用

本发明涉及一种具有分级光吸收结构的超黑涂层及其制备方法和应用，属于超黑涂层及其制备。

背景技术：

1、随着深空探测对远距离、暗弱目标、多光谱、超大动态范围探测需求不断增加，空间光学系统面临更高的探测精度要求。空间光学系统在轨运行中接收到的杂散光是影响空间光学系统探测精度的重要因素，其直接影响空间光学系统成像质量，甚至会严重影响航天器的正常工作，需要采用手段加以抑制。超黑涂层作为空间光学系统杂散光抑制设计的重要组成部分，能够有效吸收空间光学载荷关键表面的杂散光，减少成像反射。因而研制应用于空间光学系统杂散光抑制的高性能超黑涂层，对于航天事业及宇宙探索具有重要意义。

2、深空探测用超黑涂层的关键指标在于其对杂散光抑制性能，提升超黑涂层目标波段吸收率能够明显提升涂层杂散光抑制能力，同时其还应表现出良好的大角度低散射特性以防止杂散光在关键表面产生的镜面反射。目前的深空探测用超黑涂层普遍采用碳基材料、金属氧化物作为涂层颜料增强涂层对杂散光的吸收，聚氨酯、氰酸酯、环氧树脂等空间高稳定性树脂作为涂层基体，其能形成较为稳定的结构，减轻深空极端环境对超黑涂层表面的损伤。然而受限于颜料较低的本征吸收率及涂层成膜后的界面散射作用，其在紫外-可见-近红外波段通常显示出较低的吸收率，并且在大角度入射光作用下呈现出较为明显的散射，不利于实现超黑涂层的高性能杂散光抑制作用。因此急需开发一种具有宽光谱高吸收、大角度近似朗伯散射的深空探测用高性能超黑涂层，其对于空间光学系统探测精度保证与系统长期在轨应用具有十分重要的意义。

3、碳基超黑材料作为典型的空间消杂光涂层材料，其具有优异的光吸收性能与理化性质，然而涂层杂散光抑制性能由颜料与树脂的本征光吸收特性决定，具有较大的局限性。对超黑涂层材料进行组分匹配与光吸收结构设计构建，能够有效提升涂层的光吸收性能。因此需要针对超黑涂层进行颜料-涂层多组分匹配、微观-介观-宏观多尺度的杂散光抑制结构设计，从而实现涂层宽光谱波段高吸收与大角度低散射类朗伯特性，进一步提升超黑涂层杂散光抑制能力。

技术实现思路

1、本发明为了解决传统超黑涂层本征光吸收性能较低，大角度散射较大的问题，提供一种超黑涂层及其制备方法和应用，具体的提供一种具有分级光吸收结构的超黑涂层。

2、本发明的技术方案：

3、本发明的目的之一是提供一种超黑涂层的制备方法，该方法包括以下步骤：

4、(1)将炭黑与纳米二氧化硅混合后进行球磨处理，得到炭黑-纳米二氧化硅混合颗粒；

5、(2)对铝片表面进行预处理；

6、(3)将炭黑-纳米二氧化硅混合颗粒、硅酸钾溶液和水混合，配置不同浓度的超黑涂层浆料；

7、(4)将超黑涂层浆料按照浓度从大到小的顺序依次喷涂在经过预处理后的铝片上，每种浓度的超黑涂层浆料喷涂多次后再进行下一浓度超黑涂层浆料的喷涂，且每种浓度的超黑涂层浆料喷涂完成后均进行干燥处理，得到待溅射样片；

8、(5)将待溅射样片进行离子束溅射处理，得到超黑涂层。

9、进一步限定，(1)中炭黑与纳米二氧化硅的质量比为(5-10)：1。

10、进一步限定，(1)中球磨处理参数为：球料比15:1，转速300rpm，每个球磨周期球磨处理30min后静置10min，重复8个周期。

11、进一步限定，(2)中铝片表面预处理过程为：用100目砂纸打磨去除铝片表面的氧化层，然后依次浸泡在乙醇和去离子水中超声处理，最后烘干备用。

12、进一步限定，(3)中炭黑-纳米二氧化硅混合颗粒、硅酸钾溶液和水的质量比为(0.125～0.375)：80：20；硅酸钾溶液的质量浓度为37％。

13、进一步限定，(4)中喷涂压力为20psi，喷嘴与铝片距离为5～10cm。

14、进一步限定，(4)中每种浓度的超黑涂层浆料喷涂完成室温干燥30min，然后80℃烘干1h，再进行下一次喷涂；最后一次喷涂完成后，室温干燥30min，然后80℃烘干1h，再100℃烘干2h。

15、进一步限定，(5)中离子束溅射处理条件为：氛围气体为氩气，压强为7.2×10-2pa，离子源入射角度70°，离子束束流5～20ma,入射能量1.5k，刻蚀时间为60min。

16、进一步限定，(5)的具体操作过程为：

17、s1，用细砂纸打磨离子束溅射仪器中真空腔内部和挡板的各个部位，然后把表面杂质清理，用酒精擦洗真空腔；打开供电电源，然后打开循环水进行冷却；打开充气阀，使得真空腔体内部的压强和大气压强相同，打开腔口，用高温3m强力双面胶将所需要轰击的样片其粘贴于基板上，调整样片的位置使其正对离子源；

18、s2，关闭真空腔口，关闭充气阀；打开机械泵，抽真空，使得溅射气体氩气的压强达到7.2×10-2pa；打开离子源，等其稳定后调离子源参数为入射角度70°，离子束束流5～20ma，入射能量1.5k，开始计时刻蚀，刻蚀时间60min；

19、s3，刻蚀时间达到工作时间后，关闭高真空阀，关闭离子源相关按钮，关闭g3阀和氩气气瓶的阀门并且关闭流量计和阀控，关闭电磁阀待面板示数降为浮动状态，关闭机械阀；打开充气阀充入空气，使得真空腔内压强达到1.0×105pa时，打开腔体，取出刻蚀的样片，关闭腔体，关闭充气阀，得到超黑涂层样品。

20、本发明的目的之二是提供一种上述制备方法得到的超黑涂层，该超黑涂层的厚度为50-150μm，且该超黑涂层作为深空探测用超黑涂层使用。

21、有益效果：

22、本发明采用炭黑-二氧化硅共混组分作为超黑功能基元材料，采用硅酸钾树脂作为涂层颜料主体，采用浓度梯度喷涂方式制备涂层主体，并采用离子束溅射技术在涂层表面制备微米级微孔，从而实现涂层多界面多尺度协同吸收机制，提升涂层高吸收与大角度低散射性能。与现有技术相比具有以下有益效果：

23、(1)本发明提供的超黑涂层的表层为离子束溅射处理构建的低折射率多孔结构，能够有效抑制折射率突变导致的界面反射。

24、(2)本发明提供的超黑涂层的内层部分分布着球磨共混处理成膜后的梯度分布纳米二氧化硅微结构，其能够呈现底层微结构浓度较高、顶层浓度较低的渐变折射率分布结构，这种结构可以有效减少光线在界面间产生的散射，也能够起到微型光陷阱作用，同时也构成了光线散射中心，抑制镜面反射。

25、(3)本发明提供的超黑涂层的内层主体是添加了炭黑的硅酸钾涂层，具有极强的本征吸收能力。

26、(4)本发明提供的超黑涂层实现了外层-内层内部-内层主体的多尺度结构分布,具有优异的光吸收与大角度低散射性能。根据测试结果可知，超黑涂层呈现出优异的太阳光吸收性能，在200-2500nm波段am0太阳光吸收率达到98.28％，且在入射角70°以内的吸收率保持在较为一致的水平，并未发生明显的大角度散射现象。

技术特征：

1.一种超黑涂层的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的超黑涂层的制备方法，其特征在于，(1)中炭黑与纳米二氧化硅的质量比为(5-10)：1。

3.根据权利要求1所述的超黑涂层的制备方法，其特征在于，(1)中球磨处理参数为：球料比15:1，转速300rpm，每个球磨周期球磨处理30min后静置10min，重复8个周期。

4.根据权利要求1所述的超黑涂层的制备方法，其特征在于，(2)中铝片表面预处理过程为：用100目砂纸打磨去除铝片表面的氧化层，然后依次浸泡在乙醇和去离子水中超声处理，最后烘干备用。

5.根据权利要求1所述的超黑涂层的制备方法，其特征在于，(3)中炭黑-纳米二氧化硅混合颗粒、硅酸钾溶液和水的质量比为(0.125～0.375)：80：20；硅酸钾溶液的质量浓度为37％。

6.根据权利要求1所述的超黑涂层的制备方法，其特征在于，(4)中喷涂压力为20psi，喷嘴与铝片距离为5～10cm。

7.根据权利要求1所述的超黑涂层的制备方法，其特征在于，(4)中每种浓度的超黑涂层浆料喷涂完成后室温干燥30min，然后80℃烘干1h，再进行下一次喷涂；最后一次喷涂完成后，室温干燥30min，然后80℃烘干1h，再100℃烘干2h。

8.根据权利要求1所述的超黑涂层的制备方法，其特征在于，(5)中离子束溅射处理条件为：氛围气体为氩气，压强为7.2×10-2pa，离子源入射角度70°，离子束束流5～20ma,入射能量1.5k，刻蚀时间为60min。

9.一种权利要求1～8任一项所述的制备方法得到的超黑涂层，其特征在于，厚度为50-150μm。

10.一种权利要求9所述的超黑涂层的应用，其特征在于，作为深空探测用超黑涂层使用。

技术总结
本发明公开了一种具有分级光吸收结构的超黑涂层及其制备方法和应用，属于超黑涂层及其制备技术领域。本发明解决了传统超黑涂层本征光吸收性能较低，大角度散射较大的问题。本发明采用炭黑‑二氧化硅共混组分作为超黑功能基元材料，采用硅酸钾树脂作为涂层颜料主体，采用浓度梯度喷涂方式制备涂层主体，并采用离子束溅射技术在涂层表面制备微米级微孔，从而实现涂层多界面多尺度协同吸收机制，提升涂层高吸收与大角度低散射性能。

技术研发人员：吴晓宏,熊启阳,卢松涛,李扬,秦伟,汪新智,洪杨
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15