Способ создания селективного инфракрасного покрытия с высокой излучательной способностью в заданном диапазоне длин волн

Изобретение относится к технологии изготовления инфракрасных покрытий и предназначено для создания покрытий имитаторов излучения абсолютно черного тела, применяемых при градуировке неконтактных средств измерений температуры. В способе создают композиционную смесь, для чего в заданной пропорции равномерно смешивают два компонента - связующее вещество и наполнитель, затем наносят созданную композиционную смесь на поверхность объекта в несколько слоев. В качестве связующего вещества используют лак на основе углеводородов. В качестве наполнителя используют твердые частицы, размеры которых в пределах заданной точности, находятся внутри заданного диапазона длин волн. Массовую пропорцию наполнителя и связующего вещества в композиционной смеси или количество слоев покрытия определяют расчетным путем исходя из заданной излучательной способности покрытия. Технический результат - повышение спектральной излучательной способности покрытия, расширение области его применения и доступности использования, упрощение технологии получения. 1 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к технологиям изготовления специальных инфракрасных покрытий и предназначено для создания покрытий имитаторов излучения абсолютно черного тела, применяемых при градуировке неконтактных средств измерений температуры - пирометров и тепловизоров. Кроме того, изобретение может быть использовано путем нанесения на измеряемый объект при технической диагностике и неразрушающем тепловом контроле различных объектов в строительстве, научных исследованиях, военной и космической технике с целью повышения точности и достоверности температурных измерений.

На современном уровне развития науки и техники известны следующие способы и созданные согласно им специальные инфракрасные покрытия, а также устройства, их включающие.

Известно устройство для отражения электромагнитной энергии, включающее покрытие из композиционного материала, состоящего из матрицы - термопластичной резины и наполнителя - диспергированных металлических частиц, отражающих электромагнитную энергию (US patent №4533591, Int. Cl.³ B32B 5/02, 06.08.1985). Согласно изобретению данное покрытие выполнено из нескольких слоев, расположенных по типу сэндвича, и обладает максимальным коэффициентом отражения падающего на него потока электромагнитной энергии. При этом первый слой покрытия, обращенный к падающему потоку энергии излучения, имеет толщину, прозрачную для излучения в заданном диапазоне длин волн. В качестве термопластичной резины могут использоваться прессованный акрил, ацетат, стирен и ему подобные, в качестве диспергированных частиц - частицы алюминия и ему подобных металлов. Данное устройство с данным композиционным покрытием обеспечивает высокий коэффициент отражения излучения, следовательно, согласно закону излучения Кирхгофа, обладает низким коэффициентом собственного излучения и поэтому не может использоваться в качестве покрытия для имитаторов излучения абсолютно черного тела, где требуется максимальный (близкий к единице) коэффициент собственного излучения и минимальный коэффициент отражения (близкий к нулю). Следовательно, данное покрытие не может использоваться для точных температурных измерений.

Известен материал, отражающий инфракрасное излучение, содержащий текстильную основу, металлизированный и микропористый мембранный слои. В качестве текстильной основы материала использован полиэфирный текстильный материал с водоотталкивающей пропиткой, металлизированный слой представлен нитридом титана, а микропористый мембранный слой выполнен из термопластичной полиуретановой смолы и размещен между текстильной основой и металлизированным слоем, при этом нитрид титана нанесен на микропористый мембранный слой на атомарно-молекулярном уровне в количестве 1-2 г/м², а текстильная основа может содержать камуфлирующий рисунок (патент на изобретение РФ №2403328, МПК D03D 11/00, опубл. 10.11.2010, БИ №31). Технический результат от изобретения - улучшение отражательной способности материала в инфракрасном диапазоне длин волн. Изобретение может быть использовано для изготовления швейных изделий, предназначенных для электромагнитного камуфляжа, в частности, на инфракрасных длинах волн, а также при изготовлении швейных изделий технического назначения, а именно мобильных укрытий (палаток, тентов), обеспечивающих сохранение комфортных микроклиматических условий. Указанному техническому решению присущ недостаток предыдущего изобретения - невозможность использования такого материала для целей точного измерения действительной температуры различных объектов.

Известен материал покрытия с высокой излучательной способностью, содержащий 90-92 массовых процента хромоникелевой шпинели и 8-10 массовых процентов карбида титана (патент на изобретение РФ №2262552, МПК С23С 24/04, 26/00, опубл. 20.10.2005, БИ №29). Указанный материал в диапазоне температуры 400-1200°С обладает излучательной способностью ε, по меньшей мере, равной ε=0,94. Недостаток данного покрытия - невысокая излучательная способность, которая не обеспечивает требуемую степень имитации излучения абсолютно черного тела и требуемую точность измерения температуры.

Известен способ изготовления поглощающего покрытия, обеспечивающего поглощение в инфракрасном диапазоне длин волн, и предназначенного для создания эталонов абсолютно черного тела в имитаторах излучения для аппаратуры дистанционного зондирования земли со стабильными характеристиками (патент на изобретение РФ №2503103, МПК H01Q 17/00, В32В 27/00, C09D 5/32, В82В 3/00, опубл. 27.12.2013, БИ №36). Способ включает последовательное формирование на пластине-носителе адгезионного слоя; полиамидного слоя с углеродными нанотрубками из раствора пиромилитового диангидрида и оксидианилина в полярном растворителе методом центрифугирования или полива с последующей сушкой. На высушенном полиамидном слое с углеродными нанотрубками формируют методом центрифугирования или полива слой из дисперсии углеродных нанотрубок в полярном растворителе: диметилформамиде или диметилацетамиде. Далее проводят сушку и термоимидизацию полиамидного слоя с углеродными нанотрубками и с углеродными нанотрубками из дисперсии, внедренными частично в растворенный приповерхностный слой полиамида. На слое из углеродных нанотрубок, внедренных и выступающих из полиамидного слоя, прошедшего термоимидизацию, формируют упрочняющий и поглощающий слой из нитрида кремния методом плазмохимического осаждения. Технический результат от использования способа - создание воспроизводимого и стабильного во времени покрытия, обладающего высокой поглощающей способностью инфракрасного излучения и работающего в широком диапазоне температур.

Недостаток покрытия заключается в ограниченной номенклатуре и размерах объектов и материалов, на которые можно наносить данное покрытие. Это связано с тем, что размеры пластины-носителя ограничены техническими возможностями центрифуги, в которой осуществляется формирование слоя из дисперсии нанотрубок. Кроме того, технологический процесс создания указанного покрытия сложен и трудоемок, что в сочетании с его высокой себестоимостью не обеспечивает его широкое применение. Помимо этого, так как распределение спектральное поглощения данного покрытия не известно точно для всего инфракрасного диапазона длин волн, поэтому его применение в имитаторах абсолютно черного тела ограничено и требует предварительной проверки.

Известен также способ изготовления покрытия на основе композиции, включающей полимерное связующее и наполнитель, в которой в качестве полимерного связующего используется (19-21)%-ный раствор хлорсульфированного полиэтилена в углеводородном растворителе, а в качестве наполнителя - смесь сажи и графита при следующем соотношении компонентов, массовых %: (19-21)%-ный раствор хлорсульфированного полиэтилена в углеводородном растворителе 63,0-69,2, сажа 10,0-12,0, графит 20,8-25,0 (патент на изобретение РФ №2215764, опубл. 10.11.2003). Недостаток покрытия заключается в его невысокой излучающей способности, которая не может быть выше излучательной способности сажи (0,94), что ограничивает применение данного покрытия для имитаторов абсолютно черного тела.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ изготовления поливинилбутирального покрытия, предназначенного для поглощения инфракрасного излучения и состоящего из перерабатываемой в расплаве поливинилбутиральной смолы, содержащей для поглощения инфракрасного излучения диспергированные в ней гексаборид лантана в количестве от 0,005 до 0,1 массовых процентов в расчете на массу композиции, или смесь гексаборида лантана в количестве от 0,001 до 0,1 массовых процентов в расчете на массу композиции и, по меньшей мере, одного компонента, выбранного из смешанного оксида индия и олова и смешанного оксида сурьмы и олова, причем смешанный оксид индия и олова и/или указанный смешанный оксид сурьмы и олова присутствуют в указанной смеси в количестве от 0,05 до 2,0 массовых процентов в расчете на массу композиции (патент на изобретение РФ №2294944, МПК C08L 29/14, С08K 3/38, В32В 17/10, опубл. 10.03.2007, БИ №7). Данное покрытие обладает высокой излучательной и поглощательной способностью инфракрасного излучения, которые для длин волн более 1,8 мкм приблизительно составляют ε≈0,95. При длинах волн менее 1,8 мкм излучательная (поглощательная) способность покрытия изменяется в пределах ε≈0,1-0,95.

Недостатком данного способа и создаваемой согласно ему композиции является низкая излучательная способность при длинах волн менее 1,8 мкм, что делает невозможным его применение для имитаторов излучения абсолютно черного тела в указанном диапазоне. В частности, пирометры, главным образом, работают на длине волны 0,65 мкм, поэтому для таких пирометров с помощью данного покрытия невозможно создать указанный имитатор.

Все известные аналоги и способ-прототип обладают одним общим недостатком - ни в одном из способов параметры структуры и состав покрытия не взаимоувязаны со спектральным диапазоном, в котором требуется получить максимальный (близкий к единице) коэффициент излучения покрытия.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является повышение спектральной излучательной способности покрытия, расширение области его применения и доступности использования, снижение себестоимости и упрощение технологии получения.

Решение указанной технической проблемы достигается тем, что согласно предлагаемому способу создают композиционную смесь, для чего в заданной пропорции равномерно смешивают два компонента - связующее вещество и наполнитель, при этом в качестве связующего вещества используют лак на основе углеводородов, в качестве наполнителя используют твердые частицы, размеры которых в пределах заданной точности, находятся внутри заданного диапазона длин волн, затем наносят созданную композиционную смесь на поверхность объекта в несколько слоев, причем массовую пропорцию наполнителя и связующего вещества в композиционной смеси или количество слоев покрытия определяют расчетным путем исходя из заданной излучательной способности покрытия при использовании соотношения:

где

ε_эфф - заданная эффективная излучательная способность покрытия,

η₁, η₂ - массовые концентрации наполнителя и связующего вещества, соответственно, которые выбирают исходя из соотношения η₁+η₂=1,

L_b,λ(λ,T) - спектральная энергетическая яркость абсолютно черного тела, рассчитываемая по формуле Планка,

λ₁÷λ₂ - заданный диапазон длин волн или заданный диапазон размеров твердых частиц, мкм,

ε_С - коэффициент излучения связующего вещества - лака,

ε₃ - коэффициент излучения наполнителя - твердых частиц,

N - количество слоев покрытия,

T - термодинамическая температура эксплуатации покрытия, К.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлено фото микроструктуры наружной поверхности покрытия, состоящего из твердых частиц цинка 1 и связующего лака 2. Данное покрытие обладает высокой эффективной излучательной способностью, равной ε_эфф=0,999, в диапазоне длин волн 8÷12 мкм.

Теоретическая сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. В теоретическую основу предлагаемых изобретений положено экспериментально-обнаруженное автором явление перераспределения излучаемой энергии в спектре инфракрасного излучения за счет твердых частиц, в случае, когда их размеры соразмерны или совпадают с длинами волн данного излучения. Указанные твердые частицы часть энергии падающих на них фотонов с длинами волн, меньшими, чем размер (размеры) частиц, поглощают и затем переизлучают поглощенную энергию на длине волны или длинах волн равных размеру этих частиц. Оставшаяся (непоглощенная) часть энергии падающих на частицы фотонов указанными частицами переотражается. В результате, совокупно с собственной энергией данные частицы излучают некоторую суммарную энергию на длине волны, равной размеру (размерам) твердых частиц, при этом данная энергия оказывается существенно выше, чем излучаемая ими собственная энергия. Или, другими словами, суммарная по спектру энергия инфракрасного излучения, приходящаяся на длины волн меньшие размера (размеров) твердых частиц, излучается совокупно на другой длине волны, равной размеру (размерам) твердых частиц, т.е. происходит перераспределение спектра инфракрасного излучения в заданном диапазоне длин волн. Данное явление приводит к существенному повышению излучательной способности массива из твердых частиц в заданном диапазоне длин волн и делает его излучение по мощности практически равным или даже большим, чем излучение абсолютно черного тела (АЧТ). Совокупная мощность перераспределенного излучения твердых частиц математически может быть оценена по соотношению, в котором используется спектральная энергетическая яркость АЧТ, рассчитываемая по формуле М. Планка:

где

первое слагаемое - часть энергии фотонов с длинами волн 0÷λ₁, переотраженная от твердых частиц,

второе слагаемое - часть энергии фотонов с длинами волн 0÷λ₁, поглощенная частицами и затем ими излученная,

третье слагаемое - энергия собственного излучения частиц в диапазоне длин волн λ₁÷λ₂, равном диапазону размеров твердых частиц,

Р_λ1-λ2 - мощность совокупного излучения твердых частиц в диапазоне их размеров λ₁÷λ₂,

λ₁÷λ₂ - заданный диапазон длин волн, или диапазон размеров твердых частиц,

λ - длина волны излучения,

F - площадь поверхности, на которой расположены твердые частицы и с которой происходит излучение,

ε₁(λ) - спектральный коэффициент отражения твердых частиц,

ε₂(λ) - спектральный коэффициент поглощения твердых частиц,

ε₃(λ) - спектральный коэффициент излучения твердых частиц,

L_b,λ(λ,Т) - спектральная энергетическая яркость абсолютно черного тела, которая рассчитывается по формуле М. Планка:

с₁, c₂ - первая и вторая радиационные постоянные, соответственно,

Τ - термодинамическая температура, при которой находятся частицы (покрытие).

Излучательная способность массива из указанных твердых частиц в заданном спектральном диапазоне согласно классическому определению равна отношению совокупно излучаемой мощности Ρ_λ1-λ2 к мощности Ρ_{λ1-λ2,АЧТ}, излучаемой АЧТ в этом же спектральном диапазоне:

Если принять постоянство спектральных коэффициентов ε₁,ε₂,ε₃ в заданном спектральном диапазоне, что в узком спектральном диапазоне выполняется точно, то в этом случае соотношение (3) упрощается и принимает вид:

Так как, для большинства твердых тел сумму их отражательной и поглощательной способностей можно принять равной единице (ε₁+ε₂=1), то соотношение (4) принимает еще более простой вид:

Данное соотношение (5) получено из предположения, что твердые частицы занимают сплошь всю излучающую поверхность. С учетом реальной концентрации твердых частиц этого соотношение (4) должно иметь вид:

где

η₁ - концентрация твердых частиц (массовая концентрация),

N - количество слоев нанесения композиционной смеси на поверхность.

Комплекс η₁ N в соотношении (6) есть не что иное, как поверхностная концентрация всех твердых частиц, спроецированных на одну наружную плоскость излучающей поверхности покрытия.

При заполнении массива твердых частиц связующим веществом, например лаком, энергия от поверхности излучается одновременно связующим веществом и твердыми частицами, поэтому мощности их излучения складываются. С учетом этого окончательное расчетное соотношение для эффективной излучательной способности покрытия в диапазоне длин волн λ₁÷λ₂, имеет вид:

где

ε_С - спектральный коэффициент излучения связующего вещества (например, лака),

η₂ - концентрация связующего вещества, причем η₁+η₂=1-

В зависимости от взаимного сочетания диапазона размеров частиц, длин волн излучения, концентраций связующего вещества и твердых частиц, спектральных коэффициентов твердых частиц, поверхностной концентрации частиц (количества слоев), а также уровня взятой температуры, можно получить селективное покрытие с излучательной способностью близкой или равной единице, а также превысить ее.

Пример расчета параметров композиционной смеси для создания покрытия с заданной излучательной способностью

Пусть, например, требуется создать селективное инфракрасное покрытие с излучательной способностью, равной единице (ε_эфф=1), для диапазона длин волн 8÷12 мкм для температуры T=373 К (100°С).

Исходные компоненты:

- связующее вещество, например, лак на основе углеводородов (гидродесульфированная тяжелая нафта) с коэффициентом излучения ε_С=0,94;

- твердые частицы, например, частицы цинка с диапазоном равнораспределенных размеров 8÷12 мкм, коэффициент отражения излучения ε₁=0,96, коэффициент поглощения излучения ε₂=ε₃=0,04. Для расчетов используют соотношения (2) и (7), при этом для получения требуемой излучательной способности варьируют массовыми концентрациями твердых частиц η₁, связующего вещества η₂ (лака) и количеством нанесенных слоев N. Пусть, например, выбраны следующие массовые концентрации η₁=0,15 и η₂=0,85. В этом случае, согласно расчетам по соотношениям (2) и (7) требуемое количество слоев N=2, при данном количестве слоев для температуры T=273 К покрытие будет иметь ε_эфф≈1,06.

Аналогичные расчеты, выполненные для температуры T=273 К (°С) требуют нанесения трех слоев (N=3), при этом концентрации компонентов должны быть соответственно равны: η₁=0,2 и η₂=0,8, что обеспечивает расчетное значение излучательной способности ε_Эфф≈0,996 и т.д.

Номенклатура твердых частиц для создания такого селективного покрытия практически не ограничена. В их качестве могут быть взяты частицы практически всех металлов, главное требование к данным частицам - чтобы диапазон их размеров совпадал с заданным диапазоном длин волн, в котором требуется получить высокую излучательную способность. В качестве одного из таких металлов можно рекомендовать цинк. Цинковая пыль и цинковые порошки получают разнообразними методами: распылением расплавленного металла в вакууме с последующим охлаждением, возгонкой цинка в ретортах с конденсацией паров в специальных автоклавах, электроосаждением из водных растворов на предельном токе, различными механическими методами измельчения. В настоящее время промышленностью во всем мире выпускается множество различных марок и модификаций цинковых порошков. Варьирование свойств порошков производится как по химическому, так и по гранулометрическому составу, а также по форме частиц. В частности, изготавливают порошки с частицами сферической формы, эллиптические частицы, а также цинковые чешуйки.

Так как расчет излучательной способности по соотношению (7) дает оценочный результат, поэтому после создания конкретного селективного покрытия требуется измерение указанного параметра, которое можно выполнить по одному из известных способов, например, по способу согласно патенту РФ №2685548, МПК G01N 25/31, опубл. 22.04.2019, БИ №12. Предлагаемый способ создания селективного покрытия обеспечивает получение покрытия с очень высокой спектральной излучательной способностью, что расширяет область его применения и доступность использования, при этом способ существенно снижает себестоимость и упрощает технологию получения покрытия. Применение указанного покрытия в имитаторах абсолютно черного тела обеспечивает высокую степень имитации излучения абсолютно черного тела и гарантирует последующую высокую точность измерения температуры средствами измерения, например, пирометрами или тепловизорами, отградуированными по имитаторам с данным покрытием.

Способ создания селективного инфракрасного покрытия с высокой излучательной способностью в заданном диапазоне длин волн на поверхности объекта, заключающийся в том, что создают композиционную смесь, для чего в заданной пропорции равномерно смешивают два компонента - связующее вещество и наполнитель, при этом в качестве связующего вещества используют лак на основе углеводородов, в качестве наполнителя используют твердые частицы, размеры которых в пределах заданной точности находятся внутри заданного диапазона длин волн, затем наносят созданную композиционную смесь на поверхность объекта в несколько слоев, причем массовую пропорцию наполнителя и связующего вещества в композиционной смеси или количество слоев покрытия определяют расчетным путем исходя из заданной излучательной способности покрытия при использовании соотношения:

где

ε_эфф - заданная эффективная излучательная способность покрытия,

η₁, η₂ - массовые концентрации наполнителя и связующего вещества соответственно, которые выбирают исходя из соотношения η₁+η₂=1,

L_b,λ(λ,T) - спектральная энергетическая яркость абсолютно черного тела, рассчитываемая по формуле Планка,

λ₁÷λ₂ - заданный диапазон длин волн или заданный диапазон размеров твердых частиц, мкм,

ε_С - коэффициент излучения связующего вещества - лака,

ε₃ - коэффициент излучения наполнителя - твердых частиц,

N - количество слоев покрытия,

T - термодинамическая температура эксплуатации покрытия, К.