微纳分级多孔金属超黑材料的设计与制备

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超黑材料一般指光反射率小于1%,吸收率大于99%的材料。由于能够捕获几乎所有的入射光,超黑材料在航空航天、军事和能源等领域获得广泛应用。现有的超黑材料主要包括具有低折射率的碳基材料及具有特殊表面结构的镍磷合金、黑金和黑硅等材料。但大多数材料的制备方法复杂,成本高昂,且仅能在相对较窄的波段范围内表现出超黑的特性。鉴于此,本课题尝试采用简单易行的动态氢气泡模板(DHBT)法开发具有宽波段超黑性能的新金属涂层。本研究先采用DHBT一步法制备出具有微纳分级结构的多孔Cu涂层。通过在镀液中加入(NH4)2SO4和苯并三氮唑(BTA)等添加剂,获得了孔结构和Cu簇结构各异的多孔Cu涂层。漫反射谱测试结果表明,镀液中复合添加(NH4)2SO4和苯丙三氮唑(BTA)时,获得的多孔Cu涂层具有较低的漫反射率。在此基础上,进一步优化了BTA浓度和沉积电流密度。最终,当复合添加剂中BTA浓度为1 m M,沉积电流密度为4.0 A/cm2时,获得了具有微米孔和纳米Cu颗粒簇的分级结构多孔Cu。该涂层在200~2500 nm波长范围内漫反射率低于2.5%。本研究又采用DHBT一步法制备了具有微纳分级结构的多孔NiCu涂层。通过调整沉积液中Cu2+和Ni2+的浓度以及电流密度、时间等沉积参数获得了系列具有低漫反射率的多孔Cu Ni涂层。其中,当沉积电流密度为1 A/cm2,沉积时间为60 s时,制得的Ni/Cu原子比为4的多孔NiCu涂层在200~2500 nm范围内表现出最佳减反性能,漫反射率低于1.8%。在低漫反射率多孔NiCu涂层的基础上,本研究结合DHBT和热处理工艺,通过两步法合成了具有分级结构的NiCu氧化物/NiCu复合涂层。实验结果表明该复合涂层的反射率随氧化层厚度呈现先降低后增加的趋势。通过有限时域差分法(FDTD)模拟可对该现象进行解释。400℃的条件下热处理15 min获得的NiCu氧化物/NiCu复合涂层具有最低漫反射率,在200~2500 nm波长范围内均低于1%,中红外范围(2.5~20μm)的镜面反射率也低于1%。这表明通过简单易行的DHBT和短时间热处理,即可合成宽波段新型超黑材料。本研究尝试了将研制的NiCu氧化物/NiCu复合超黑涂层应用于太阳能蒸发。分别以AAO薄膜和海绵为衬底,构建了不同的太阳能蒸发器。在太阳光辐射强度为1 k Wm-2的条件下,以海绵为基底的太阳能蒸发器具有最快的水蒸发速率,其水蒸发效率达到了76%。
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