[发明专利]用于绝对测辐射热计上的金刚石复合膜片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于卫星上测量太阳辐射的绝对测辐射热计上的吸收辐射和热交换片材，特别是一种吸收辐射的金刚石复合膜片及其制备方法。

背景技术

为了研究地球辐射收支与能量循环及其对全球环境和气候变化的影响，需要精确测量和长期监测太阳辐照度。在卫星上用来观测太阳辐照度的仪器是绝对测辐射热计，在测量太阳辐照度的绝对测辐射热计上需要黑色吸收辐射材料来对辐射进行吸收。绝对测辐射热计是安放在气象卫星上进行观测的，这就要求绝对辐射计上的黑色吸收辐射材料与热沉材料不仅要结合紧密、机械性能好，而且要具有高的热导率和紫外辐照变化小。在本发明之前，用于电校准绝对辐射计上的黑色吸收辐射材料为用电镀工艺特殊制作的薄壁银圆锥腔及腔内表面涂一薄层镜面反射黑漆，而热沉材料为金属铝筒。这几种材料的热导率不太高，反射黑漆与银腔的结合性不高，并且反射黑漆在卫星上长期受紫外线照射后对辐射的吸收率会逐渐降低，这都会影响绝对辐射计对太阳辐照度的测量，致使辐射计的测量精度降低、灵敏度低和测量时间长。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前在测量辐射设备中，如监测太阳辐照度的绝对测辐射热计上所用的吸收辐射热交换材料存在的缺点，提出一种用于绝对测辐射热计上的金刚石复合膜片及其制备方法，以提高绝对测辐射热计的测量精度和使用寿命。

本发明用于绝对测辐射热计上的金刚石复合膜片，是由作为热沉材料的纯金刚石片层和作为光辐射吸收材料的碳纳米管膜层复合而成，所述金刚石片层是热导率≥15W/K·cm、电阻率为10¹³～10¹⁵Ω·cm的无色透明膜片；所述碳纳米管膜层是由碳原子成键互连形成的管状结构，均匀分布在所述的金刚石片上，碳纳米管膜层的热导率为7～10W/K·cm、电阻率为10⁹～10¹³Ω·cm。

所述的碳纳米管的直径为2nm～200nm、长度为50nm～10μm，呈有序垂直阵列或无序横排分布状态。

本发明金刚石复合膜片的制备方法过程如下。

a.在MW-PCVD微波等离子体化学气相沉积系统设备中，以H₂和CH₄作原料介质、金属钼片作衬底，在以下工艺条件下进行一次化学气相沉积制备无色透明的金刚石片：

H₂流量为200sccm，CH₄流量为1～3sccm，微波功率为3.8～4.2KW，沉积气压为11～17KPa，衬底温度为750～950℃。生长速率约1～3μm/h。制备的金刚石膜的热导率≥15W/K·cm，其电阻率为10¹³～10¹⁵Ω·cm，0.4mm厚，为无色透明膜。

b.将a步骤获得的金刚石片进行研磨抛光，使其一侧表面粗糙度为50～100nm，另一侧表面粗糙度为＜40nm；

c.将抛光后的金刚石片切割成所需的形状尺寸；

d.对切割后的金刚石片进行下述表面预处理，先用铬酸溶液浸泡30分钟以上，然后用去离子水冲洗，即去除了金刚石片上的杂质和油脂，再将其置于丙酮溶液中超声清洗15分钟，再置于酒精溶液中超声清洗15分钟；最后置于去离子水中超声清洗15分钟，置于150℃热板上烘干；

e.在上述处理后的金刚石片的表面粗糙度为50～100nm的一侧面上进行浮动催化法沉积碳纳米管膜层，碳纳米管膜的生长在水平管式炉中进行，首先将盛有上述处理过的金刚石片的石英舟置于石英管中部，石英管口部放置二茂铁催化剂；升温阶段，反应室由N₂气保护，控制其流量为50～60sccm；当温度达到700～800℃时，通入C₂H₂气体，同时控制C₂H₂气体的流量为30～40sccm，N₂的流量控制为150～200sccm，二茂铁质量控制为0.45～0.75g；沉积结束后，关闭C₂H₂，石英管在N₂气氛下冷却到室温，冷却阶段控制N₂流量为50sccm。

步骤a所述的金属钼衬底，在气相沉积热沉金刚石片前按以下方式进行预处理：用金刚石研磨膏研磨15分钟，然后在丙酮溶液中超声处理10分钟，再在酒精溶液中超声处理10分钟。

步骤b所述的金刚石片的研磨抛光是先采用表面化学刻蚀，然后机械研磨抛光，对金刚石膜双面抛光。