RU2645536C1 - Light-absorption material - Google Patents
Light-absorption material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2645536C1 RU2645536C1 RU2016142909A RU2016142909A RU2645536C1 RU 2645536 C1 RU2645536 C1 RU 2645536C1 RU 2016142909 A RU2016142909 A RU 2016142909A RU 2016142909 A RU2016142909 A RU 2016142909A RU 2645536 C1 RU2645536 C1 RU 2645536C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- light
- absorbing material
- carbon nanotubes
- temperature
- cnts
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
- B82B3/0009—Forming specific nanostructures
- B82B3/0014—Array or network of similar nanostructural elements
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
- B82B3/008—Processes for improving the physical properties of a device
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/158—Carbon nanotubes
- C01B32/16—Preparation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/182—Graphene
- C01B32/184—Preparation
- C01B32/186—Preparation by chemical vapour deposition [CVD]
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
- C09K9/00—Tenebrescent materials, i.e. materials for which the range of wavelengths for energy absorption is changed as a result of excitation by some form of energy
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/20—Filters
- G02B5/201—Filters in the form of arrays
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2202/00—Structure or properties of carbon nanotubes
- C01B2202/20—Nanotubes characterized by their properties
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2204/00—Structure or properties of graphene
- C01B2204/20—Graphene characterized by its properties
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к углеродным материалам, в частности к углеродным нанотрубкам, которые могут быть применены в качестве абсолютно черного тела в областях измерительной техники, теплофизике и теплотехнике.The invention relates to carbon materials, in particular to carbon nanotubes, which can be used as a completely black body in the fields of measurement technology, thermophysics and heat engineering.
Светопоглощающий материал в качестве абсолютно черного тела в основном применяют в области измерительной техники, в частности при измерениях фотометрических характеристик в теплофизике и теплотехнике. Так, например, известны (ГОСТ 7601-78) способы определения коэффициентов теплового излучения измеряемого образца по соотношению измеренного теплового излучения исследуемого образца и измеренного теплового излучения светопоглощающего материала, нагретого до той же температуры, что и измеряемый образец. Для этого измеряют тепловое излучение нагретого до определенной температуры образца. Доводят светопоглощающий материал до этой же температуры и измеряют его тепловое излучение. Коэффициент излучения измеряемого образца получают разделив показание теплового излучения, нагретого до определенной температуры образца, на показание теплового излучения светопоглощающего материала.Light-absorbing material as a completely black body is mainly used in the field of measurement technology, in particular when measuring photometric characteristics in thermophysics and heat engineering. So, for example, there are known (GOST 7601-78) methods for determining the thermal radiation coefficients of a measured sample from the ratio of the measured thermal radiation of a test sample to the measured thermal radiation of a light-absorbing material heated to the same temperature as the measured sample. To do this, measure the thermal radiation of a sample heated to a certain temperature. The light-absorbing material is brought to the same temperature and its thermal radiation is measured. The emissivity of the measured sample is obtained by dividing the reading of the thermal radiation heated to a certain temperature of the sample by the reading of the thermal radiation of the light-absorbing material.
Понятие «абсолютно черное тело» является абстрактным, поэтому часто применяются модели абсолютно черного тела. Существует ряд патентов, связанных с разработкой и применением модели абсолютно черного тела (МЧТ).The concept of “absolutely black body” is abstract, therefore models of an absolutely black body are often used. There are a number of patents related to the development and application of a model of a completely black body (MRT).
Изобретение патента RU 2148801, МПК G01J 5/02 от 25.08.1998, относится к технической физике в части создания модели черного тела, используемой в качестве эталонного источника излучения в пирометрических, фотометрических и радиометрических комплексах при температурах 2500-3200 K. Такая модель черного тела содержит излучающую и вспомогательную полости, образованные набором пирографитовых колец, которые имеют токоподводы. Подвижный токоподвод содержит подпружиненный пружиной подвижный цилиндр с гибкими токопроводами, связанными с торцом камеры МЧТ. Другой торец камеры является вторым токоподводом. Также дополнительно введена камера, которая закрывает конец цилиндра. Камеры имеют единый газовый объем. Кольца в наборе имеют увеличивающиеся от кольца к кольцу от середины набора электросопротивления. Крайние значения сопротивлений к серединному не превышают величины два. Набор колец окружен тепловым экраном, выполненным из пирографита на стороне, обращенной к набору колец.The invention of patent RU 2148801, IPC G01J 5/02 of 08.25.1998, relates to technical physics in terms of creating a blackbody model used as a reference radiation source in pyrometric, photometric and radiometric complexes at temperatures of 2500-3200 K. Such a blackbody model contains a radiating and auxiliary cavity formed by a set of pyrographite rings that have current leads. The movable current supply contains a spring-loaded movable cylinder with flexible current conductors associated with the end face of the chamber of the MChT. The other end of the chamber is the second current lead. An additional chamber is also introduced that closes the end of the cylinder. The cameras have a single gas volume. The rings in the set have increasing from ring to ring from the middle of the set of electrical resistance. The extreme values of the resistance to the middle do not exceed two. The set of rings is surrounded by a heat shield made of pyrographite on the side facing the set of rings.
Недостатком способа является весьма сложная конструкция, включающая применение дополнительной камеры, которая примыкает к торцу водонеохлаждаемой части основной камеры, образует с основной камерой единый газовый объем и охватывает выступающий из основной камеры противоположный кольцам конец подвижного цилиндра токоподвода, при этом торец, к которому примыкает дополнительная камера, необходимо электрически изолировать от обеих камер. Кроме того, пирографитовые кольца должны обладать разным электросопротивлением, где электрическое сопротивление каждого кольца относительно соседнего увеличивается от кольца к кольцу по мере удаления кольца от середины набора к его концам, причем отношение значений сопротивления каждого из крайних колец к серединному кольцу не больше двух, что также усложняет сборку модели черного тела.The disadvantage of this method is a very complex design, including the use of an additional chamber, which is adjacent to the end of the water-cooled part of the main chamber, forms a single gas volume with the main chamber and covers the end of the movable current supply cylinder, which protrudes from the main chamber and is opposite to the rings, while the end face adjoins the additional chamber must be electrically isolated from both chambers. In addition, pyrographite rings must have different electrical resistance, where the electrical resistance of each ring relative to the neighboring increases from ring to ring as the ring moves from the middle of the set to its ends, and the ratio of the resistance values of each of the outer rings to the middle ring is not more than two, which also complicates the assembly of the blackbody model.
В патенте RU 2132549, МПК G01N 25/18 от 20.01.1998, описано изобретение для расчета теплофизических параметров, сущность которого заключается в том, что проводится предварительный нагрев до заданной температуры модели абсолютно черного тела, образованного двумя идентичными параллельно расположенными плоскими образцами совместно с боковыми и внутренними секционированными экранами, путем пропускания через образцы одинаковых электрических токов, измеряют силу токов и падения напряжения в центральной зоне каждого из образцов, температуры внешней поверхности одного образца и внутренней поверхности второго образца, производят импульсное тепловое воздействие на внешнюю поверхность одного из образцов, одновременно регистрируя температуру противоположной поверхности этого же образца и, используя эти данные, рассчитывают такие параметры, как коэффициенты температуро- и теплопроводности, удельную теплоемкость, спектральную и интегральную степень черноты, удельное электросопротивление. Недостатком предложенного способа является достаточно сложная конструкция устройства, требующая использования идентичных по толщине и плотности, параллельно расположенных образцов, постоянный контроль температуры внутренней и наружной поверхности образцов фотопирометрами.In the patent RU 2132549, IPC G01N 25/18 dated 01/20/1998, the invention is described for calculating thermophysical parameters, the essence of which consists in pre-heating a model of a black body formed by two identical parallel parallel plane samples together with side ones and internal partitioned screens, by passing through the samples the same electric currents, measure the strength of currents and voltage drops in the Central zone of each of the samples, the temperature of the external the surfaces of one sample and the inner surface of the second sample, produce a pulsed thermal effect on the outer surface of one of the samples, simultaneously recording the temperature of the opposite surface of the same sample and using these data, calculate parameters such as coefficients of thermal and thermal conductivity, specific heat, spectral and integral degree of blackness, electrical resistivity. The disadvantage of the proposed method is the rather complicated design of the device, requiring the use of identical thickness and density, parallel samples, constant monitoring of the temperature of the inner and outer surfaces of the samples with photopyrometer.
В патенте RU 2438103 С1, МПК G01J 5/08, G01K 15/00 от 16.06.2010, описано изобретение устройства, которое может быть использовано для калибровки многоканальных пирометров. Недостатком данного устройства является сложность конструкции: устройство содержит модель абсолютного черного тела в виде электропечи с излучателем, установленную на основании, программный регулятор температуры, термопару регулирования температуры полости излучателя электропечи, поворотный котировочный механизм, усилитель фотосигналов и компьютер. Компьютер электрически связан с поворотным котировочным механизмом и усилителем фотосигналов. Калибруемый пирометр скрепляют с котировочным механизмом и фиксируют на основании, которое сопряжено с выходным отверстием модели абсолютно черного тела.In the patent RU 2438103 C1, IPC
Для создания моделей абсолютно черного тела наиболее перспективно использовать углеродные материалы, такие как графит или углеродные нанотрубки (УНТ).To create models of an absolutely black body, it is most promising to use carbon materials such as graphite or carbon nanotubes (CNTs).
В патенте US 9086327, МПК G01J 5/52, G01K 15/00 от 15.05.2013, описаны устройство и способ калибровки датчиков при помощи тонкой пленки из УНТ. Недостатком данного устройства также является сложность конструкции: напряжение подают на первый слой из УНТ для получения первой температуры первого слоя УНТ. Теплопроводный слой используют для обеспечения равномерного распределения температуры, связанной с температурой первого слоя УНТ, путем сглаживания пространственной вариации первой температуры. Второй слой УНТ обеспечивает равномерность распределения температуры и испускает первый спектр излучения черного тела для калибровки датчика. Устройство может быть использовано, чтобы излучать второй спектр излучения черного тела путем изменения приложенного напряжения. Следует отметить, что в патенте не указаны толщины пленок из УНТ.In the patent US 9086327, IPC
Также в патенте US 9459154, МПК G01J 3/10 от 19.03.2015, описаны устройство, способ и тонкопленочная структура для получения спектра абсолютно черного тела. Недостатком патента является сложность и трудоемкость способа: напряжение подают на первый слой из УНТ для получения первой температуры данного слоя УНТ. Первый слой устройства выполнен с возможностью генерирования тепла в ответ на приложенное напряжение. Второй слой выполнен с возможностью получения спектра излучения черного тела в ответ на тепло от первого слоя. Слой термического расширения, расположенный между первым и вторым слоем, содержит графеновый лист для уменьшения пространственной вариации теплоты в плоскости теплового слоя. В патенте не указаны толщины пленок из УНТ, закрепления графенового листа.Also in the patent US 9459154, IPC G01J 3/10 dated 03/19/2015, a device, a method and a thin-film structure for obtaining a spectrum of a black body are described. The disadvantage of the patent is the complexity and complexity of the method: the voltage is applied to the first layer of CNTs to obtain the first temperature of this layer of CNTs. The first layer of the device is configured to generate heat in response to an applied voltage. The second layer is configured to obtain a blackbody radiation spectrum in response to heat from the first layer. The thermal expansion layer located between the first and second layer contains a graphene sheet to reduce the spatial variation of heat in the plane of the heat layer. The patent does not indicate the thickness of the CNT films, fixing graphene sheet.
В патенте RU 2503103 C1, МПК H01Q 17/00, B32B 27/00, B32B 27/06, C09D 5/32, B82B 3/00 от 27.12.2012, описано изобретение, которое относится к способу изготовления поглощающего покрытия. Такое покрытие обеспечивает поглощение в инфракрасном диапазоне длин волн для создания эталонов абсолютно черного тела в имитаторах излучения для аппаратуры дистанционного зондирования Земли со стабильными характеристиками. Способ изготовления такого покрытия является весьма трудоемким, что является его недостатком, представляет собой формирование на пластине-носителе последовательно адгезионного слоя. Для этого методом центрифугирования или полива с последующей сушкой из раствора пиромилитового диангидрида и оксидианилина в полярном растворителе получают полиимидный слой с УНТ. На высушенном слое формируют методом центрифугирования или полива слой из дисперсии УНТ в полярном растворителе: диметилформамиде или диметилацетамиде. После чего проводят сушку и термоимидизацию полиимидного слоя с УНТ и с УНТ, полученными из дисперсии и внедренными частично в растворенный приповерхностный слой полиимида. Затем на слое из УНТ, внедренных и выступающих из полиимидного слоя, прошедшего термоимидизацию, формируют упрочняющий и поглощающий слой из нитрида кремния методом плазмохимического осаждения. Таким образом, получают воспроизводимый и стабильный во времени процесс изготовления покрытия с высокой поглощающей способностью инфракрасного излучения, работающего в широком диапазоне температур.In the patent RU 2503103 C1, IPC H01Q 17/00, B32B 27/00, B32B 27/06, C09D 5/32, B82B 3/00 dated 12/27/2012, the invention is described that relates to a method for manufacturing an absorbent coating. Such a coating provides absorption in the infrared wavelength range to create black body standards in radiation simulators for Earth remote sensing equipment with stable characteristics. A method of manufacturing such a coating is very time-consuming, which is its drawback, is the formation of a sequentially adhesive layer on the carrier plate. To do this, by centrifugation or irrigation, followed by drying, a polyimide layer with CNTs is obtained from a solution of pyromilite dianhydride and oxydianiline in a polar solvent. On a dried layer, a layer is formed by centrifugation or watering from a dispersion of CNTs in a polar solvent: dimethylformamide or dimethylacetamide. After that, the polyimide layer with CNTs and with CNTs obtained from the dispersion and partially embedded in the dissolved surface layer of polyimide is dried and thermoimidized. Then, a reinforcing and absorbing layer of silicon nitride by plasma-chemical deposition is formed on a layer of CNTs embedded and protruding from a polyimide layer that has undergone thermal imidization. Thus, a reproducible and time-stable process for producing a coating with a high absorption capacity of infrared radiation operating in a wide temperature range is obtained.
В патенте US 8895997, H01L 51/50, B82Y 30/00, H01L 51/52, H01L 29/26, H01K 1/06, H01L 27/15, H01L 51/00, B82Y 20/00, H01K 3/02, H01L 31/12, H01L 33/04, B82Y 10/00, H04B 10/80, H01L 33/00, H01K 1/10 от 28.04.2010, описано устройство светоизлучающих приборов с применением УНТ. Металлические УНТ, расположенные между электродами, генерируют тепло при прохождении тока к электродам и излучают световое излучение от черного тела таким образом, что излучаемый свет имеет широкий диапазон длин волн и может быть модулирован с высокой скоростью. Это дает возможность реализовать источник света непрерывного спектра, который можно модулировать с высокой скоростью, подходящей для использования в информационном сообщении, в области электроники. Недостатком данного устройства является необходимость применения подложки для УНТ, чтобы излучение, генерируемое УНТ, было в направлении, перпендикулярном к поверхности подложки.In the patent US 8895997, H01L 51/50, B82Y 30/00, H01L 51/52, H01L 29/26,
В заявке на патент US 20090126783 A1, МПК G02B 5/22, H01L 31/00, B05D 5/06 от 12.11.2008, которая является прототипом данного патента, описано устройство оптического поглотителя, которое включает в себя покрытие, состоящее из вертикально ориентированных УНТ с ультранизким коэффициентом отражения менее 0,16% и эффективностью поглощения более чем 99,84%. Покрытие состоит преимущественно из УНТ, а также содержит углеродные нанопроволоки (carbon nanowires) и нанорожки (carbon nanohorn). Трубчатые наноструктуры имеют очень высокое аспектное соотношение, обычно больше чем 10000. Данное покрытие на подложке получают методом химического осаждения из газовой фазы CVD (Chemical vapor deposition).In patent application US 20090126783 A1, IPC
С помощью электронно-лучевого испарителя наносят депозит адгезионного слоя алюминия толщиной 10 нм и слой катализатора, активного компонента частиц железа, толщиной от 1 нм до 5 нм на поверхность кремниевой пластины. Подложку помещают в CVD-реактор. Этилен используют в качестве источника углерода, а 15% смесь водорода и аргона в качестве реакционного газа. К моменту, когда температура в реакторе достигает примерно 750-800°C, поток газа устанавливают через CVD-реактор со скоростью около 300 мл/мин. После того, как температуру CVD-реактора стабилизировали, скорость потока газа поднимают до 1300 мл/мин, второй поток инертного газа пробулькивают через воду при комнатной температуре со скоростью 80 мл/мин, одновременно с этим запускают этилен со скоростью 100 мл/мин. Варьируя время синтеза от 5 с до 30 мин получают покрытие из УНТ с толщиной от 10 до примерно 800 мкм, т.е. покрытие из УНТ толщиной, например, до нескольких миллиметров могут достигать благодаря более длительному времени получения. Реактор охлаждают до комнатной температуры в атмосфере инертного газа. Плотность полученных УНТ составляет 0,01-0,02 г/см3. Просвечивающая электронная микроскопия показала, что преимущественно состоит из многостенных УНТ, а в случае использования слоя катализатора-железа с толщиной около 1,5 нм образуются в основном двустенные УНТ. Показатель преломления и константы поглощения полученных УНТ контролируют независимо друг от друга изменением расстояния между УНТ и их диаметром.Using an electron beam evaporator, a deposit of an adhesive layer of aluminum with a thickness of 10 nm and a catalyst layer, the active component of iron particles, from 1 nm to 5 nm thick, are deposited on the surface of a silicon wafer. The substrate is placed in a CVD reactor. Ethylene is used as a carbon source, and a 15% mixture of hydrogen and argon as a reaction gas. By the time the temperature in the reactor reaches about 750-800 ° C, a gas flow is established through the CVD reactor at a rate of about 300 ml / min. After the temperature of the CVD reactor was stabilized, the gas flow rate was raised to 1300 ml / min, a second inert gas stream was bubbled through water at room temperature at a speed of 80 ml / min, while ethylene was started at a speed of 100 ml / min. Varying the synthesis time from 5 s to 30 min, a CNT coating with a thickness of 10 to about 800 μm is obtained, i.e. a coating of CNTs with a thickness of, for example, up to several millimeters can be achieved due to the longer production time. The reactor is cooled to room temperature in an inert gas atmosphere. The density of the obtained CNTs is 0.01-0.02 g / cm 3 . Transmission electron microscopy showed that it mainly consists of multi-walled CNTs, and in the case of using a catalyst-iron layer with a thickness of about 1.5 nm, mainly double-walled CNTs are formed. The refractive index and absorption constants of the obtained CNTs are independently controlled by changing the distance between the CNTs and their diameter.
Задачей заявленного технического решения является получение светопоглощающего материала из пучков мало- и многостенных углеродных нанотрубок, полученных методом CVD, с повышенным коэффициентом светопоглощения, а также расширение технического применения данного материала в области технической физики и измерительной техники.The objective of the claimed technical solution is to obtain a light-absorbing material from beams of low- and multi-walled carbon nanotubes obtained by CVD with an increased light absorption coefficient, as well as expanding the technical application of this material in the field of technical physics and measuring equipment.
Для решения поставленной задачи предлагаем светопоглощающий материал в виде пучков из мало- и многостенных углеродных нанотрубок, полученных без применения вспомогательных подложек методом CVD.To solve this problem, we offer a light-absorbing material in the form of beams of low- and multi-walled carbon nanotubes obtained without the use of auxiliary substrates by CVD.
Углеродные нанотрубки получают методом CVD в газовой фазе при атмосферном давлении с использованием активного компонента - ферроцена в атмосфере водорода на лабораторной установке с проточным кварцевым CVD-реактором горизонтального типа, схема которого представлена на фиг.1.Carbon nanotubes are produced by CVD in the gas phase at atmospheric pressure using the active component ferrocene in a hydrogen atmosphere in a laboratory setup with a horizontal quartz flow CVD reactor, the scheme of which is shown in Fig. 1.
Условия получения светопоглощающего материала, такие как температура получения, скорость подачи реакционных газов, отсутствие подложки, отличаются от условий прототипа. Различия в изменении таких параметров (температура получения и скорость подачи реакционных газов) необходимы ввиду отличного способа подачи активного компонента при получении. В прототипе активный компонент нанесен на подложку, в предлагаемом техническом решении проводят получение материала с активным компонентом в газовой фазе. Высокая светопоглощающая способность получаемого материала связана с некаталитическим образованием латеральных отложений углерода в виде хаотично ориентированных фрагментов графена.The conditions for obtaining light-absorbing material, such as the temperature of receipt, the feed rate of the reaction gases, the absence of the substrate, differ from the conditions of the prototype. Differences in the variation of such parameters (production temperature and feed rate of reaction gases) are necessary due to the excellent method of supplying the active component upon receipt. In the prototype, the active component is deposited on a substrate, in the proposed technical solution, a material with the active component in the gas phase is obtained. The high light-absorbing ability of the resulting material is associated with the non-catalytic formation of lateral carbon deposits in the form of randomly oriented graphene fragments.
Совокупный набор оптимальных значений параметров, таких как состав и расход реакционной смеси газов, в том числе водорода, температура и продолжительность процесса, позволяет достигнуть поставленную цель и получить светопоглощающий материал, состоящий из пучков мало- и многостенных углеродных нанотрубок, обладающий способностью к формованию в ленты.The combined set of optimal parameter values, such as the composition and flow rate of the reaction mixture of gases, including hydrogen, temperature and duration of the process, allows us to achieve our goal and obtain a light-absorbing material consisting of bundles of small and multi-walled carbon nanotubes, capable of forming into ribbons .
На фиг. 1-9 приведены схема и фотографии, поясняющие заявляемое изобретение:In FIG. 1-9 shows a diagram and photographs explaining the claimed invention:
на фиг. 1 приведена схема проточного кварцевого CVD-реактора горизонтального типа для получения светопоглощающего материала. Цифрами обозначены основные элементы: 1 - трубка подачи газов, 2 - высокотемпературная печь, 3 - термопара в алундовом чехле, 4 - реактор из кварцевой трубы;in FIG. 1 is a diagram of a horizontal flow type quartz CVD reactor for producing a light-absorbing material. The numbers indicate the main elements: 1 - gas supply pipe, 2 - high-temperature furnace, 3 - thermocouple in alundum case, 4 - quartz tube reactor;
на фиг. 2 приведена фотография светопоглощающего материала, полученного в примере 1;in FIG. 2 shows a photograph of a light-absorbing material obtained in example 1;
на фиг. 3 приведена микрофотография (увеличение ×20000), полученная с помощью растрового электронного микроскопа, светопоглощающего материала, полученного в примере 1;in FIG. 3 shows a micrograph (magnification × 20,000) obtained using a scanning electron microscope, a light-absorbing material obtained in example 1;
на фиг.4 приведена фотография светопоглощающего материала, полученного в примере 2;figure 4 shows a photograph of a light-absorbing material obtained in example 2;
на фиг.5 приведена микрофотография (увеличение ×20000), полученная с помощью растрового электронного микроскопа, светопоглощающего материала, полученного в примере 2;figure 5 shows a micrograph (magnification × 20,000) obtained using a scanning electron microscope, light-absorbing material obtained in example 2;
на фиг. 6 приведена фотография светопоглощающего материала, полученного в примере 3;in FIG. 6 shows a photograph of a light-absorbing material obtained in example 3;
на фиг. 7 приведена микрофотография (увеличение ×20000), полученная с помощью растрового электронного микроскопа, светопоглощающего материала, полученного в примере 3;in FIG. 7 shows a micrograph (magnification × 20,000) obtained using a scanning electron microscope, a light-absorbing material obtained in example 3;
на фиг. 8 приведена фотография светопоглощающего материала, полученного в примере 4;in FIG. 8 is a photograph of a light-absorbing material obtained in Example 4;
на фиг. 9 приведена микрофотография (увеличение ×20000), полученная с помощью растрового электронного микроскопа, светопоглощающего материала, полученного в примере 4.in FIG. 9 shows a micrograph (magnification × 20,000) obtained using a scanning electron microscope, a light-absorbing material obtained in example 4.
Светопоглощающий материал в виде пучков из мало- и многостенных углеродных нанотрубок получают методом CVD в газовой фазе на лабораторной установке с проточным кварцевым CVD-реактором горизонтального типа, схема которого представлена на фиг. 1. Получение светопоглощающего материала проводят при атмосферном давлении с использованием летучего активного компонента - ферроцена в атмосфере водорода.Light-absorbing material in the form of beams of small and multi-walled carbon nanotubes is obtained by CVD in the gas phase in a laboratory setup with a horizontal quartz flow CVD reactor, the scheme of which is shown in FIG. 1. Obtaining a light-absorbing material is carried out at atmospheric pressure using a volatile active component - ferrocene in a hydrogen atmosphere.
Светопоглощающий материал в виде пучков из мало- и многостенных углеродных нанотрубок получают при следующих условиях:Light-absorbing material in the form of beams of small and multi-walled carbon nanotubes is obtained under the following conditions:
- Состав смеси реакционного раствора с активным компонентом: 96.5 вес. % этанол, 2.0 вес. % тиофен, 1.5 вес. % ферроцен.- The composition of the mixture of the reaction solution with the active component: 96.5 weight. % ethanol, 2.0 weight. % thiophene, 1.5 weight. % ferrocene.
- Расход реакционного раствора 1 мл/мин.- The flow rate of the reaction solution is 1 ml / min.
- Расход газа-носителя водорода 500-1100 мл/мин.- The flow rate of the carrier gas of hydrogen is 500-1100 ml / min.
- Температура получения 1000-1100°C.- The temperature of receipt of 1000-1100 ° C.
- Продолжительность процесса получения 30 мин.- The duration of the process of obtaining 30 minutes
Перед началом получения реактор (4) и подводящие к нему магистрали предварительно вакуумируют с помощью форвакуумного насоса с последующей продувкой через трубку подачи газов (1) аргоном в течение 20 минут с расходом 500 мл/мин, после чего подают водород с расходом 500 мл/мин и повышают температуру печи (2) до 1000-1100°C. Постоянный контроль температуры в центральной зоне реактора осуществляют при помощи хромель-алюмелевой термопары, которая помещена внутрь алундового чехла (3). После стабилизации заданной температуры устанавливают расход водорода в интервале 500-1100 мл/мин, отключают подачу аргона в систему, подают реакционный раствор со скоростью 1 мл/мин. По завершении эксперимента через 30 мин прекращают подачу реакционного раствора и водорода, подключают подачу аргона.Before starting production, the reactor (4) and the supply lines to it are pre-evacuated using a foreline pump, followed by purging through the gas supply pipe (1) with argon for 20 minutes at a flow rate of 500 ml / min, after which hydrogen is supplied at a flow rate of 500 ml / min and increase the temperature of the furnace (2) to 1000-1100 ° C. Constant temperature control in the central zone of the reactor is carried out using a chromel-alumel thermocouple, which is placed inside the alundum cover (3). After stabilization of the set temperature, the hydrogen flow rate is set in the range of 500-1100 ml / min, the argon supply to the system is turned off, and the reaction solution is supplied at a rate of 1 ml / min. At the end of the experiment, after 30 minutes the flow of the reaction solution and hydrogen was stopped, and the flow of argon was connected.
В соответствии с литературными данными [1, 2, 3] и условиями синтеза, указанными в прототипе, а также с учетом максимально допустимой температуры эксплуатации кварцевого реактора, получение светопоглощающего материала в нижеследующих примерах проводят в интервале температур от 1000°C до 1100°C, скорость газа-носителя (водорода) - в интервале от 500 мл/мин до 1100 мл/мин. В зависимости от температуры и скорости газа-носителя изменяются характеристики получаемого продукта (диаметр нанотрубок, количество выровненных УНТ и др.).In accordance with the literature data [1, 2, 3] and the synthesis conditions indicated in the prototype, as well as taking into account the maximum permissible operating temperature of the quartz reactor, the production of light-absorbing material in the following examples is carried out in the temperature range from 1000 ° C to 1100 ° C, the speed of the carrier gas (hydrogen) is in the range from 500 ml / min to 1100 ml / min. Depending on the temperature and velocity of the carrier gas, the characteristics of the obtained product (the diameter of the nanotubes, the number of aligned CNTs, etc.) change.
Пример 1. Светопоглощающий материал (фиг. 2) в виде пучков из мало- и многостенных углеродных нанотрубок получают методом CVD с активным компонентом в газовой фазе на лабораторной установке с проточным кварцевым реактором горизонтального типа по методике, описанной выше. Температура получения в данном примере составляет 1100°С, скорость подачи водорода 1000 мл/мин. Описанным способом получают продукт, представляющий собой пучки углеродных нанотрубок длиною около 5 см, внешний диаметр нанотрубок составляет 4-17 нм (фиг. 3). Полученный светопоглощающий материал характеризуется тем, что представляет собой пучки из мало- и многостенных углеродных нанотрубок с латеральными отложениями в виде хаотично ориентированных фрагментов графена с размером до 10 нм. Светопоглощающий материал формуют в ленты толщиной не менее 2 мм и плотностью 0,4 г/см3, коэффициент светопоглощения составляет около 99,9% в диапазоне длин волн 1,5-20 мкм.Example 1. A light-absorbing material (Fig. 2) in the form of beams from low- and multi-walled carbon nanotubes is obtained by CVD with the active component in the gas phase in a laboratory setup with a horizontal flow quartz reactor according to the procedure described above. The production temperature in this example is 1100 ° C, the flow rate of hydrogen is 1000 ml / min. In the described manner, a product is obtained which is a bundle of carbon nanotubes about 5 cm long, the outer diameter of the nanotubes is 4-17 nm (Fig. 3). The obtained light-absorbing material is characterized by the fact that it is bundles of low- and multi-walled carbon nanotubes with lateral deposits in the form of randomly oriented graphene fragments with a size of up to 10 nm. The light-absorbing material is formed into ribbons with a thickness of at least 2 mm and a density of 0.4 g / cm 3 , the light absorption coefficient is about 99.9% in the wavelength range of 1.5-20 μm.
Пример 2. Светопоглощающий материал (фиг. 4) в виде пучков из мало- и многостенных углеродных нанотрубок получают, как в примере 1. Температура получения в данном примере составляет 1100°C, скорость подачи водорода 1100 мл/мин. Описанным способом получают продукт, представляющий собой пучки углеродных нанотрубок длиною около 5 см, внешний диаметр нанотрубок составляет 7-19 нм (фиг. 5). Полученный светопоглощающий материал характеризуется тем, что представляет собой пучки из мало- и многостенных углеродных нанотрубок с латеральными отложениями в виде хаотично ориентированных фрагментов графена с размером до 10 нм. Светопоглощающий материал формуют в ленты, как в примере 1, коэффициент светопоглощения составляет около 99,9% в диапазоне длин волн 1,5-20 мкм.Example 2. Light-absorbing material (Fig. 4) in the form of bundles of low- and multi-walled carbon nanotubes is obtained, as in example 1. The production temperature in this example is 1100 ° C, the hydrogen flow rate is 1100 ml / min. In the described manner, a product is obtained which is bundles of carbon nanotubes about 5 cm long, the outer diameter of the nanotubes is 7-19 nm (Fig. 5). The obtained light-absorbing material is characterized by the fact that it is bundles of low- and multi-walled carbon nanotubes with lateral deposits in the form of randomly oriented graphene fragments with a size of up to 10 nm. The light-absorbing material is formed into ribbons, as in example 1, the light absorption coefficient is about 99.9% in the wavelength range of 1.5-20 μm.
Пример 3. Светопоглощающий материал (фиг.6) в виде пучков из мало- и многостенных углеродных нанотрубок получают, как в примере 1. Температура получения в данном примере составляет 1100°C, скорость подачи водорода 500 мл/мин. Описанным способом в процессе получения получается продукт, представляющий собой пучки углеродных нанотрубок длиною около 5 см, внешний диаметр нанотрубок составляет 10-22 нм (фиг.7). Полученный светопоглощающий материал характеризуется тем, что представляет собой пучки из мало- и многостенных углеродных нанотрубок с латеральными отложениями в виде хаотично ориентированных фрагментов графена с размером до 10 нм. Светопоглощающий материал формуют в ленты, как в примере 1, коэффициент светопоглощения составляет около 99,9% в диапазоне длин волн 1,5-20 мкм.Example 3. The light-absorbing material (Fig.6) in the form of bundles of low- and multi-walled carbon nanotubes is obtained, as in example 1. The production temperature in this example is 1100 ° C, the hydrogen flow rate of 500 ml / min. The described method in the process of obtaining a product is obtained, which is a bundle of carbon nanotubes with a length of about 5 cm, the outer diameter of the nanotubes is 10-22 nm (Fig.7). The obtained light-absorbing material is characterized by the fact that it is bundles of low- and multi-walled carbon nanotubes with lateral deposits in the form of randomly oriented graphene fragments with a size of up to 10 nm. The light-absorbing material is formed into ribbons, as in example 1, the light absorption coefficient is about 99.9% in the wavelength range of 1.5-20 μm.
Пример 4. Светопоглощающий материал (фиг. 8) в виде пучков из мало- и многостенных углеродных нанотрубок получают, как в примере 1. Температура получения в данном примере составляет 1000°C, скорость подачи водорода 500 мл/мин. Описанным способом в процессе получения получается продукт, представляющий собой пучки углеродных нанотрубок длиною около 5 см, внешний диаметр нанотрубок составляет 12-28 нм (фиг. 9). Полученный светопоглощающий материал характеризуется тем, что представляет собой пучки из мало- и многостенных углеродных нанотрубок с латеральными отложениями в виде хаотично ориентированных фрагментов графена с размером до 10 нм. Светопоглощающий материал формуют в ленты, как в примере 1, коэффициент светопоглощения составляет около 99,9% в диапазоне длин волн 1,5-20 мкм.Example 4. Light-absorbing material (Fig. 8) in the form of bundles of low- and multi-walled carbon nanotubes is obtained, as in example 1. The production temperature in this example is 1000 ° C, the hydrogen flow rate is 500 ml / min. The described method in the process of obtaining a product that is a bundle of carbon nanotubes with a length of about 5 cm, the outer diameter of the nanotubes is 12-28 nm (Fig. 9). The obtained light-absorbing material is characterized by the fact that it is bundles of low- and multi-walled carbon nanotubes with lateral deposits in the form of randomly oriented graphene fragments with a size of up to 10 nm. The light-absorbing material is formed into ribbons, as in example 1, the light absorption coefficient is about 99.9% in the wavelength range of 1.5-20 μm.
Таким образом, светопоглощающий материал, получаемый методом CVD, представляет собой пучки мало- и многостенных углеродных нанотрубок с латеральными отложениями в виде хаотично ориентированных фрагментов графена с размером до 10 нм, который формуют в ленты толщиной не менее 2 мм и плотностью 0,4 г/см3, коэффициент светопоглощения составляет около 99,9% в диапазоне длин волн 1,5-20 мкм.Thus, the CVD light-absorbing material is a bundle of small and multi-walled carbon nanotubes with lateral deposits in the form of randomly oriented fragments of graphene with a size of up to 10 nm, which is formed into ribbons with a thickness of at least 2 mm and a density of 0.4 g / cm 3 , the light absorption coefficient is about 99.9% in the wavelength range of 1.5-20 microns.
Получение данного материала не требует использования подложек, является упрощенным и ускоренным по сравнению с аналогами и прототипом.Obtaining this material does not require the use of substrates, is simplified and accelerated in comparison with analogues and prototype.
Технический результат - материал, состоящий из пучков углеродных нанотрубок, полученный методом CVD без применения вспомогательных подложек. Данный продукт можно формовать в виде лент без применения сложного вспомогательного оборудования, коэффициент светопоглощения материала составляет около 99,9%.EFFECT: material consisting of bundles of carbon nanotubes obtained by CVD method without the use of auxiliary substrates. This product can be molded in the form of tapes without the use of complex auxiliary equipment, the light absorption coefficient of the material is about 99.9%.
Источники информацииInformation sources
1. Y. Sun, R. Kitaura, J. Zhang, Y. Miyata, H. Shinohara, Metal catalyst-free mist flow chemical vapor deposition growth of single-wall carbon nanotubes using C60 colloidal solutions // Carbon, v. 68, pp. 80-86 (2014).1. Y. Sun, R. Kitaura, J. Zhang, Y. Miyata, H. Shinohara, Metal catalyst-free mist flow chemical vapor deposition growth of single-wall carbon nanotubes using C60 colloidal solutions // Carbon, v. 68, pp. 80-86 (2014).
2. M. Khavarian, S.-P. Chai, S.H.Tan, A.R. Mohamed. Floating catalyst CVD synthesis of carbon nanotubes using iron (iii) chloride: influences of the growth parameters // NANO: Brief Reports and Reviews, v. 4, №6, 359-366 (2009).2. M. Khavarian, S.-P. Chai, S.H. Tan, A.R. Mohamed. Floating catalyst CVD synthesis of carbon nanotubes using iron (iii) chloride: influences of the growth parameters // NANO: Brief Reports and Reviews, v. 4, No. 6, 359-366 (2009).
3. Q. Zhang. Carbon Nanotubes and Their Applications // Pan Stanford Series on Carbon-Based Nanomaterials, v. 1, p. 469 (2012).3. Q. Zhang. Carbon Nanotubes and Their Applications // Pan Stanford Series on Carbon-Based Nanomaterials, v. 1, p. 469 (2012).
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016142909A RU2645536C1 (en) | 2016-11-01 | 2016-11-01 | Light-absorption material |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016142909A RU2645536C1 (en) | 2016-11-01 | 2016-11-01 | Light-absorption material |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2645536C1 true RU2645536C1 (en) | 2018-02-21 |
Family
ID=61258906
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016142909A RU2645536C1 (en) | 2016-11-01 | 2016-11-01 | Light-absorption material |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2645536C1 (en) |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2132549C1 (en) * | 1998-01-20 | 1999-06-27 | Бронников Вадим Александрович | Method and device for metering thermal characteristics of thin-layer materials |
RU2148801C1 (en) * | 1998-08-25 | 2000-05-10 | Государственное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений | Black body model |
US20090126783A1 (en) * | 2007-11-15 | 2009-05-21 | Rensselaer Polytechnic Institute | Use of vertical aligned carbon nanotube as a super dark absorber for pv, tpv, radar and infrared absorber application |
US20100258111A1 (en) * | 2009-04-07 | 2010-10-14 | Lockheed Martin Corporation | Solar receiver utilizing carbon nanotube infused coatings |
RU2438103C1 (en) * | 2010-06-15 | 2011-12-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) | Apparatus for calibrating multichannel pyrometers |
US20130087758A1 (en) * | 2010-04-28 | 2013-04-11 | Keio University | Carbon nanotube light emitting device, light source, and photo coupler |
RU2503103C1 (en) * | 2012-12-27 | 2013-12-27 | Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы") | Method of making absorbent coating |
US20140339407A1 (en) * | 2013-05-15 | 2014-11-20 | Raytheon Company | Carbon nanotube blackbody film for compact, lightweight, and on-demand infrared calibration |
US20150076373A1 (en) * | 2013-05-15 | 2015-03-19 | Raytheon Company | Multi-layer advanced carbon nanotube blackbody for compact, lightweight, and on-demand infrared calibration |
-
2016
- 2016-11-01 RU RU2016142909A patent/RU2645536C1/en active
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2132549C1 (en) * | 1998-01-20 | 1999-06-27 | Бронников Вадим Александрович | Method and device for metering thermal characteristics of thin-layer materials |
RU2148801C1 (en) * | 1998-08-25 | 2000-05-10 | Государственное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений | Black body model |
US20090126783A1 (en) * | 2007-11-15 | 2009-05-21 | Rensselaer Polytechnic Institute | Use of vertical aligned carbon nanotube as a super dark absorber for pv, tpv, radar and infrared absorber application |
US20100258111A1 (en) * | 2009-04-07 | 2010-10-14 | Lockheed Martin Corporation | Solar receiver utilizing carbon nanotube infused coatings |
US20130087758A1 (en) * | 2010-04-28 | 2013-04-11 | Keio University | Carbon nanotube light emitting device, light source, and photo coupler |
RU2438103C1 (en) * | 2010-06-15 | 2011-12-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) | Apparatus for calibrating multichannel pyrometers |
RU2503103C1 (en) * | 2012-12-27 | 2013-12-27 | Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы") | Method of making absorbent coating |
US20140339407A1 (en) * | 2013-05-15 | 2014-11-20 | Raytheon Company | Carbon nanotube blackbody film for compact, lightweight, and on-demand infrared calibration |
US20150076373A1 (en) * | 2013-05-15 | 2015-03-19 | Raytheon Company | Multi-layer advanced carbon nanotube blackbody for compact, lightweight, and on-demand infrared calibration |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Lehman et al. | Carbon nanotube-based black coatings | |
Lehman et al. | Single-wall carbon nanotube coating on a pyroelectric detector | |
CN101881667B (en) | A kind of uncooled microbolometer and preparation method thereof | |
Sun et al. | Large‐scale multifunctional carbon nanotube thin film as effective mid‐infrared radiation modulator with long‐term stability | |
Li et al. | Graphene‐based devices for thermal energy conversion and utilization | |
Larciprete et al. | Infrared emissivity characterization of carbon nanotubes dispersed poly (ethylene terephthalate) fibers | |
CN103792253B (en) | The measuring method of one-dimensional material thermal contact resistance | |
Weber et al. | Metal-free synthesis of nanocrystalline graphene on insulating substrates by carbon dioxide-assisted chemical vapor deposition | |
Shanov et al. | CVD growth, characterization and applications of carbon nanostructured materials | |
KR20090065472A (en) | Deposition apparatus and deposition method | |
Sun et al. | Wafer-scale vertically aligned carbon nanotubes for broadband terahertz wave absorption | |
Zhang et al. | Anomalous temperature coefficient of resistance in graphene nanowalls/polymer films and applications in infrared photodetectors | |
JP5019537B2 (en) | Method and apparatus for producing aligned carbon nanotube aggregate | |
Zhao et al. | Hydrogen‐Assisted Synthesis of Large‐Size 2D Bismuth Telluride Flakes for Broadband Photodetection up to 2 µm | |
Yang et al. | A Centimeter‐Scale Type‐II Weyl Semimetal for Flexible and Fast Ultra‐Broadband Photodetection from Ultraviolet to Sub‐Millimeter Wave Regime | |
Dillon et al. | Hot-wire chemical vapor synthesis for a variety of nano-materials with novel applications | |
RU2645536C1 (en) | Light-absorption material | |
Sui et al. | A thin-film infrared absorber using CNT/nanodiamond nanocomposite | |
Venkatachalam et al. | Net-shaped pyramidal carbon-based ceramic materials designed for terahertz absorbers | |
Abdellatif et al. | Exploring the morphological surface resistance and optical absorption of thin black carbon nanotube films for electronic and optoelectronic devices | |
García-Valdivieso et al. | High sensitivity bolometers from thymine functionalized multi-walled carbon nanotubes | |
US20170312781A1 (en) | Apparatus and method for making organic thin film | |
Ma et al. | A bottom-up strategy toward a flexible vanadium dioxide/silicon nitride composite film with infrared sensing performance | |
US20200212249A1 (en) | Method for making infrared light absorber | |
Komori et al. | Stable photothermal conversion in single-walled carbon nanotube device with pn-junction under uniform sunlight irradiation |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20200110 Effective date: 20200110 |