[发明专利]一种快热响应超黑材料及其制备方法

说明书

一种具备高导热性超黑材料的制备方法，属于功能材料与器件制造领域。采用CVD方式在原始载体上沉积金刚石膜，然后依次完成研磨、抛光等处理工序；随后在CVD金刚石膜表面溅射沉积催化金属层，并通过等离子体刻蚀加热处理工艺实现纳米催化颗粒的制备；最后在金刚石膜成表面进行碳纳米管阵列的制备，获得尺寸及光吸收率符合要求的金刚石/碳纳米管超黑材料。本发明元件基于金刚石为载体，具有化学性质稳定、导热率高、光吸收性强等特点。在中间过程采用物理气相沉积镀膜和表面氢等离子体刻蚀处理，解决了在金刚石衬底上碳纳米管阵列密度低、定向性差等问题，实现了高稳定性、高性能全碳基复合功能材料的制备。保证相对成本较低的同时，保证了产品质量及生产效率。

技术领域

本发明属于功能材料与器件制造领域，特别是涉及一种超黑材料的制造方 法。

背景技术

超黑材料具有极强的消杂光能力，多被用于光学系统中提升光学组件的灵敏 度。例如，在空间红外相机成像、黑体定标、温差发电、精密仪器等领域。甚至 在视觉艺术领域，超黑材料均具有重要的应用前景。而且随着功能器件不断向高 精度、高效能方向发展，一方面要求相应的超黑涂层材料的吸光率需进一步提升， 对光谱响应波段拓展至宽波段，达到具有对紫外、可见至远红外全谱段的理想吸 收；另一方面，对光热转换效率也提出了更高的要求。

垂直碳纳米管阵列具有在250nm-14.5μm宽波段范围内的超高光吸收率(平 均值在99％以上)，是目前“最黑”的光吸收材料。此外，碳纳米管具有极佳的轴 向热导率(3000W/m·K)，可以将光子吸收能量转化产生的热量沿碳纳米管轴 向方向快速传导至衬底，具有稳定的光吸收性能。因此，垂直碳纳米管阵列可作 为光学仪器、传感器等器件中非常理想的超黑吸光材料。

然而，目前常见的用于制作垂直碳纳米管阵列的衬底大都采用硅、氧化硅、 氧化镁、氧化铝等材料，碳管与衬底之间由于不同材料以及不同结构，难以获得 强的界面结合强度，碳纳米管阵列极易脱落；另一方面，衬底材料热导率普遍不 高，难以完全将定向碳纳米管超黑涂层光热转后的热量有效导出，导致整体超黑 材料的吸光能力有限。因此，探寻在新的高导热衬底材料表面生长定向碳纳米管， 构建具有快热响应的超黑材料，具有重要的意义。

化学气相沉积(CVD)金刚石的热导率高达2000W/m·K，是铜的4到5 倍，其作为衬底可将碳纳米管阵列吸收的能量进行快速高效传递。此外，金刚石 和碳纳米管互为同素异形体，二者在界面处可实现稳定的共价结合，形成的全碳 复合材料具有非常好的结构稳定性。而且，金刚石是一种非常稳定的材料，这使 得它成为极端环境下首选的衬底材料，如在高可靠性需求的空间科学领域、恶劣 使役环境下的军事装备领域等。在国内外已公开发表的文献和专利中，虽有大量 研究定向碳纳米管以及CVD金刚石膜的研究报道，但未见有采用微波等离子体 化学气相沉积方法直接在高导热CVD金刚石膜表面合成定向碳纳米管超黑涂层 材料的技术方案。

发明内容

本发明提出一种在自支撑金刚石膜表面生长定向碳纳米管涂层构成复合结 构的方法。该结构兼具金刚石超高的导热能力及定向纳米碳管宽光谱范围内极高 的吸光率，且由于金刚石与碳纳米管互为碳的同素异构体，易于形成良好的结合 界面，从而提高了碳纳米管涂层的附着性能及界面热传输能力。具有轻质、高导 热、高吸光率、结构稳定等特点，非常适合在空间成像、黑体定标、精密仪器等 领域应用。

一种具备高导热性超黑材料的制备方法，其特征在于采用化学气相沉积法， 制备大尺寸金刚石自支撑膜。对金刚石膜进行研磨、抛光处理后，在衬底金刚石 表面使用磁控溅射、电子束蒸发及原子层沉积等方法，生成一层催化金属层；随 后采用微波等离子体化学气相沉积或热解化学气相沉积在衬底金刚石表面合成 高定向性、高致密度、垂直排列的碳纳米管阵列层，且碳纳米管和衬底金刚石在 界面处形成共价结合，由此获得附着性能良好的全碳基复合超黑材料。

如上所述具备快热响应超黑材料的制备方法，具体制备步骤如下：