摘要
超黑材料是在一定光谱范围内拥有极高光吸收率的一种新材料，其吸收特性接近于黑体。由于优异的光吸收率，超黑材料在诸多领域（例如杂散光消除、红外检测、太阳能收集、海水淡化和光催化等）都具有应用前景。表面精细微纳结构是实现超黑性能的基础，但也给其制备和实际应用带来了一系列问题，主要包括:超黑表面微纳结构制备技术比较复杂、成型条件苛刻、微纳结构耐久性不足、超黑表面与基材附着力较低等。因此，发展一种制备条件温和、吸光性能优异、长效性能较好、能够大面积制备的超黑材料对实际应用具有重要的意义，也是本课题的目的所在。 本论文中，我们根据光学理论，采用模拟仿真工具，对具有不同微纳结构的超黑表面的光吸收性能进行了较系统的分析;在此基础上，采用全喷涂或静电植绒技术，制备出两种不同的超黑材料——全喷涂型超黑涂层和微纳复合纤维阵列超黑表面，系统地研究了两种超黑材料的微纳结构与关键性能的构效关系，探索了超黑材料在杂散光抑制、热电器件、电磁波吸收等领域应用可能性，并成功将超黑材料应用于空间相机的杂散光抑制。另外，我们也基于微米纤维结构的特点,发展出一种柔性的气流传感器，对其结构-性能相关性进行了研究。具体研究内容如下: （1）微纳复合结构的光吸收模型与仿真分析 基于光学基本理论，利用不同模拟仿真工具分别对组成超黑材料的高分子基体、光吸收剂、界面反射以及微纳光陷阱结构的光反射特性进行了研究和优化，为超黑材料的后续实验（制备和性能分析）提供了理论依据。主要研究结果如下:ⅰ）基于菲尼尔定律计算了高分子材料折射率与表面反射率的相关性，折射率低的高分子基体具有低的界面反射，反之亦然。ⅱ）计算了碳纳米颗粒的光吸收特性。研究表明，纳米碳颗粒是一种优异的光吸收剂，这主要由于碳纳米颗粒的宽带的高吸收系数以及颗粒间共振带来的前向散射增强效应。ⅲ）结合Mie散射和蒙特卡洛算法，研究了含碳纳米颗粒的高分子涂层的吸收特性:当碳纳米颗粒半径＜20nm,体积分数＞0.005，涂层深度＞30μm时，涂层内部的光线几乎被完全吸收。ⅳ）计算了平面涂层表面引入低折射率减反层对复合薄膜总的光反射率的影响。结果表明:引入折射率介于空气和基体之间的单层或多层减反层，可以有效抑制界面反射。ⅴ）采用光线追踪工具模拟仿真了表面微结构的多重散射吸收特性。对于表面微球结构，最佳光吸收性能在微球体积分数为35％时取得;对于纤维阵列结构，最佳光吸收性能在纤维体积分数为9％,纤维长径比大于40时取得。 (2)全喷涂型超黑涂层的设计、制备与性能研究 基于上述理论研究结果，综合利用微结构的多重散射、碳纳米颗粒的高吸收、低折射率高分子树脂、低折射率界面减反等效应，设计并制备出一种全喷涂型超黑涂层。具体而言，选择了折射率较低的聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基体，采用碳黑/单壁碳纳米管(CB/SWCNT)为光吸收剂，引入二氧化硅空心微球(SiO2)为多重散射中心，低折射率的全氟癸基三甲氧基硅烷(PFMS)为减反层。涂层制备全过程采用喷涂技术，无需复杂的加工设备和苛刻的制备条件。经过实验筛选，确定了最优配方，即PDMS∶CB/SWCNT∶SiO2=100∶21∶10,此配方的光吸收率达到98.2％,引入PFMS减反层后，吸收率提升至99％,涂层同时具有优异的多角度散射性能(BRDF≈10-2～10-3sr-1),较好的附着力和优异的自清洁能力。 (3)基于微纳复合纤维阵列的超黑材料的设计、制备与性能研究 利用静电植绒技术构建了准垂直取向的碳纤维阵列(VACFA),并采用喷涂碳黑纳米颗粒或化学气相沉积碳纳米管的方法对碳纤维阵列表面进行了改性，制备出微纳复合的超黑纤维阵列材料。通过调控电场、纤维、表面改性条件等系列参数，使VACFA样品在0.4～20μm宽带波长范围内表现出极低的半球反射率(可见光波长R～0.4％，近中红外波长R≈2％),出色的多角度散射性能(BRDF最低值为10-3sr-1),展现出近朗伯体特性。另外，我们探索研究了微纳复合超黑材料在热电转化、中远红外吸收、电磁波吸收方面的性能。其中，热电器件表面涂覆超黑材料后，由热电效应产生的电压电流提升5～6倍、中远红外吸收超过97％、电磁波总屏蔽效能在9～10GHz波段超过50dB,且吸收百分比超过80％。我们还探索了微纳复合超黑材料在空间相机杂散光抑制方面的应用，并成功将其应用于两颗实验卫星，实现在轨运行。 (4)基于微米纤维阵列的柔性气流传感器的设计、制备与性能研究 最后，基于准垂直微米纤维阵列的结构特点，设计并制备出一种柔性气流传感器。该传感器在结构上类似生物体纤毛，在微弱气流的作用下发生形变，从而实现对气流的传感，具有超低的检测极限(0.053m·s-1)、宽的检测范围(0.053～2.66m·s-1)、多角度响应(0°～90°)和快速响应时间(1.7s)。我们研究了其结构与传感性能之间的构效关系，并从微观尺度证明了传感机理，同时展示了该气流传感器在流速测量、漏气检测以及运动监测等领域的应用可能性。
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