一种基于磁场诱导自组装的超黑材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种基于磁场诱导自组装的超黑材料及其制备方法与应用，所述制备方法包括如下步骤：(1)将磁性纳米粒子、碳基光吸收材料、柔性聚合物与溶剂混合，得到磁性粒子分散液；(2)对基底进行预处理，并置于永磁铁上方，将步骤(1)所述磁性粒子分散液通过喷涂沉积在基底表面，在磁场诱导下自组装得到锥形阵列结构；(3)将步骤(2)所述锥形阵列结构进行固化处理，得到所述超黑材料。本发明专利技术制备的超黑材料可实现宽光谱范围(300

A super black material based on magnetic field induced self-assembly and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁场诱导自组装的超黑材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于超黑材料制备
，尤其是涉及一种基于磁场诱导自组装的超黑材料的制备方法与应用。

技术介绍

[0002]超黑材料能够实现对入射光线的高效吸收且具有极低的表面反射率，被科学家们广泛研究，在精密光学仪器杂散光抑制、高效光热转换装置、高分辨率光学传感器、红外隐身等领域具有重要的应用。
[0003]根据菲涅耳反射定律，当光线从空气入射到材料表面时，由于在空气与材料介质表面存在折射率差异，不可避免地在材料表面发生反射现象，从而限制入射光的吸收。生物在自然界中演化出特异性的微纳陷光结构能够实现对光线的高效吸收，如蛾眼表面的锥形阵列结构和天堂鸟羽毛表面的微米级深腔结构。阵列型结构能够减缓入射光入射到材料表面时的折射率的变化，进而降低菲涅耳反射；深腔结构能够允许更多光线的进入，在腔体内部实现多重反射，增强对光线的吸收。因此具有阵列陷光结构排布的超黑材料具有高效吸收光线作用。
[0004]光吸收材料中，碳材料由于其独特的sp2、sp3杂化和π键电子结构，电子轨道能级接近，能够吸收较宽范围内光线的光子实现电子能级跃迁，从而碳材料具有较高的本征吸收率。因此，将碳材料的高本征吸光和阵列陷光结构的结合能够有效构筑超黑材料表面。
[0005]目前，基于碳材料的超黑材料的制备已有了相关研究。CN113263744A公开了一种具有红外波段高吸收的3D打印超黑材料的制备方法，所述制备方法包括：将碳黑与高性能聚合物如聚醚醚酮、聚醚酰亚胺或聚偏氟乙烯混合制备得到复合材料线材；采用熔融沉积技术将所述复合材料线材打印得到具有微孔的三维结构；然后通过原子层沉积技术在其表面沉积AZO薄膜。所述方法通过3D打印技术可以有效地构筑阵列型空腔结构，但所述方法受限于3D打印技术的成型时间及设备精度缺点，且后续的原子层沉积技术过程复杂，无法满足大规模的制备使用。CN212559473U公开了一种垂直碳纳米管阵列，所述垂直碳纳米管阵列包括由下至上依次设置的基体层、缓冲层和催化剂层，在镀有缓冲层和催化剂层的基体表面通过CVD方法生长碳纳米管阵列，实现了超过99.3％的吸收率。但通过磁控溅射镀膜、CVD方法生长操作复杂，价格昂贵，且难以制备大规模样品，难以适用于其他表面。CN112225202A公开了一种多孔石墨烯微球超黑材料的制备方法，所述制备方法包括：将聚苯乙烯(PS)微球分散液和氧化石墨烯(GO)分散液混合，喷雾干燥得到PS
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GO复合微球；在惰性气氛下将PS微球热解，得到多孔石墨烯微球超黑材料，所述材料利用其多孔结构捕获入射光，实现较高的吸收率，且吸光率对入射角度依赖性不高。但所述制备方法需要高温热解，制备复杂，且得到的多孔微球无法直接使用，添加到基体上或使用粘合剂可能会导致吸光率的降低。
[0006]因此，开发一种可大规模使用、操作便捷、吸收率高的阵列型超黑材料显得尤为重要。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于磁场诱导自组装的超黑材料及其制备方法与应用，制备的超黑材料可实现宽光谱范围(300
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2000nm)内99％以上的吸收率，且具有成型方法简单，材料耐候性能优异等优势，具有广泛的应用前景。
[0008]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供了一种基于磁场诱导自组装的超黑材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0010](1)将磁性纳米粒子、碳基光吸收材料、柔性聚合物与溶剂混合，得到磁性粒子分散液；
[0011](2)对基底进行预处理，并置于永磁铁上方，将步骤(1)所述磁性粒子分散液通过喷涂沉积在基底表面，在磁场诱导下自组装得到锥形阵列结构；
[0012](3)将步骤(2)所述锥形阵列结构进行固化处理，得到所述超黑材料。
[0013]本专利技术中，以磁性纳米粒子、碳基光吸收材料、柔性聚合物为原料，将三种组分按照一定比例分散在溶剂中，得到磁性粒子分散液；将表面预处理后的基底放置于永磁铁上方，利用气体喷涂方法将磁性粒子分散液雾化成微米级别液滴，沉积在基底上；然后在磁场作用下，初始液滴在基底上按照磁感线排列，具有初始的高度；继续在磁场作用下，初始沉积的液滴被磁化，在其高度方向上产生磁场强度梯度，吸引后续液滴在其顶部沉积；通过磁场诱导自组装过程，喷涂持续一定时间后，液滴生长成为微米尺度的锥形阵列结构；在不撤除外部磁场条件下，经过升温或者常温固化，得到超黑材料。所述制备方法制备的基于磁场诱导自组装的超黑材料具有微米级锥形阵列结构，能够增强对光线的多重反射，实现高的光吸收率；体系中添加碳基光吸收材料进一步提升对光线的吸收。
[0014]作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)所述磁性纳米粒子包括四氧化三铁。
[0015]优选地，所述四氧化三铁的直径为100
‑
200nm，例如可以是100nm、110nm、120nm、130nm、140nm、150nm、160nm、170nm、180nm、190nm或200nm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0016]优选地，步骤(1)所述碳基光吸收材料包括碳黑。
[0017]优选地，所述碳黑的直径为10
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500nm，例如可以是10nm、50nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm或500nm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0018]优选地，步骤(1)所述柔性聚合物包括聚二甲基硅氧烷。
[0019]优选地，所述聚二甲基硅氧烷由预聚合物和固化剂混合制备得到。
[0020]优选地，所述预聚合物为道康宁184硅橡胶A组分。
[0021]优选地，所述固化剂为道康宁184硅橡胶B组分。
[0022]优选地，所述预聚合物和固化剂质量比为(10
‑
20):1，例如可以是10:1、11:1、12:1、13:1、14:1、15:1、16:1、17:1、18:1、19:1或20:1，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0023]优选地，步骤(1)所述溶剂包括石油醚。
[0024]作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)所述磁性纳米粒子、碳基光吸收材料与柔性聚合物的质量之比为(0.4
‑
0.6):(0.005
‑
0.05):(0.35
‑
0.595)，例如可以是0.4:0.005:
0.595、0.45:0.01:0.54、0.5:0.02:0.48、0.55:0.01:0.44或0.6:0.05:0.35，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0025]优选地，步骤(1)所述溶剂与所述磁性纳米粒子、碳基光吸收材料与柔性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于磁场诱导自组装的超黑材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)将磁性纳米粒子、碳基光吸收材料、柔性聚合物与溶剂混合，得到磁性粒子分散液；(2)对基底进行预处理，并置于永磁铁上方，将步骤(1)所述磁性粒子分散液通过喷涂沉积在基底表面，在磁场诱导下自组装得到锥形阵列结构；(3)将步骤(2)所述锥形阵列结构进行固化处理，得到所述超黑材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述磁性纳米粒子包括四氧化三铁；优选地，所述四氧化三铁的直径为100
‑
200nm；优选地，步骤(1)所述碳基光吸收材料包括碳黑；优选地，所述碳黑的直径为10
‑
500nm；优选地，步骤(1)所述柔性聚合物包括聚二甲基硅氧烷；优选地，所述聚二甲基硅氧烷由预聚合物和固化剂混合制备得到；优选地，所述预聚合物为道康宁184硅橡胶A组分；优选地，所述固化剂为道康宁184硅橡胶B组分；优选地，所述预聚合物和固化剂质量比为(10
‑
20):1；优选地，步骤(1)所述溶剂包括石油醚。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述磁性纳米粒子、碳基光吸收材料与柔性聚合物的质量之比为(0.4
‑
0.6):(0.005
‑
0.05):(0.35
‑
0.595)；优选地，步骤(1)所述溶剂与所述磁性纳米粒子、碳基光吸收材料与柔性聚合物的总质量之比为(1
‑
4):1。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述对基底进行预处理包括：在基底表面喷涂聚二甲基硅氧烷和碳黑的分散液作为预处理层；优选地，所述分散液中碳黑的质量比为1
‑
2％；优选地，所述预处理层的厚度为5
‑
20μm。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述永磁铁为镀镍铷铁硼永磁铁；优选地，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李慧勇，沈忱，张晖，张忠，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：