一種碳納米管遮光罩的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于星敏感器及其它成像設(shè)備的消太陽(yáng)等雜光的遮光罩的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳納米管材料是1991年國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)的，其為碳的一種異構(gòu)體，由碳原子通過(guò)化學(xué)鍵排列成管狀的分布，由于其管狀直徑在幾個(gè)納米到百納米之間，長(zhǎng)度可達(dá)直徑的千倍以上，稱為碳納米管。碳納米管結(jié)構(gòu)有單壁和多壁結(jié)構(gòu)。由于碳納米管涂層的光吸收能力超強(qiáng)，目前是國(guó)際上公認(rèn)的最黑的材料，因此如果能夠生長(zhǎng)于遮光罩的內(nèi)壁或者擋光環(huán)面，則可以大大提高遮光罩的吸收效率，還可利用簡(jiǎn)化小巧結(jié)構(gòu)的遮光罩實(shí)現(xiàn)以往同等的消雜光能力，從而大幅度降低遮光罩的尺寸和重量，這對(duì)于星敏感器輕型化而言是非常必要的。
[0003]然而目前，國(guó)內(nèi)外遮光罩的吸光涂層均采用噴涂的黑漆或者黑色陽(yáng)極化涂層，吸收率在97%左右，存在光吸收比不夠高的問(wèn)題，導(dǎo)致消雜光能力不足。而碳納米管陣列的吸收率最尚可達(dá)99.5%以上，所以具有很強(qiáng)的解決遮光罩小尺寸尚性能的潛力。以現(xiàn)有APS星敏感器產(chǎn)品為例，在30°抑制角入射的太陽(yáng)雜光，像面雜光灰度為80，如果采用同樣結(jié)構(gòu)的碳納米管遮光罩則雜光灰度預(yù)期降低到40以下，也即降低50%，恒星像點(diǎn)信噪比提高I倍，抗干擾能力將大大加強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)保精度下的小雜光抑制角設(shè)計(jì)。目前尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)碳納米管遮光罩制備的相關(guān)文獻(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種以碳納米管作為吸光材料的遮光罩的制備方法，解決碳納米管在金屬基底上的生長(zhǎng)工藝難題，并提供碳納米管遮光罩的一般制備流程，從而解決以往消光黑漆遮光罩消雜光能力不足和尺寸重量較大的問(wèn)題，帶動(dòng)遮光罩設(shè)計(jì)水平和制作工藝的提高。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種碳納米管遮光罩的制備方法，包括如下步驟:
[0006](I)確定遮光罩的消雜光比指標(biāo)；
[0007](2)根據(jù)視場(chǎng)大小、鏡頭口徑大小，以及雜光抑制角和外形尺寸的約束，確定遮光罩內(nèi)部擋板的位置和尺寸，原則是擋板必須遮擋經(jīng)過(guò)一次漫反射進(jìn)入到遮光罩出口的雜光光線；
[0008](3)對(duì)遮光罩內(nèi)部的尺寸、形狀以及表面漫反射特性進(jìn)行建模，通過(guò)光線追跡模擬雜光光源的光能量在遮光罩內(nèi)部的傳播物理過(guò)程，得到消光比仿真計(jì)算結(jié)果并與步驟(I)中確定的指標(biāo)進(jìn)行比較，如果滿足要求則進(jìn)入下一步，如果不滿足則返回步驟(2)重新確定擋板的位置和尺寸，直至消光比仿真計(jì)算結(jié)果滿足要求后進(jìn)入下一步;所述的表面漫反射特性為碳納米管涂層的吸收率；
[0009](4)根據(jù)鈦合金的加工能力確定遮光罩的薄壁厚度，設(shè)計(jì)可以固定安裝的并能夠承受發(fā)射力學(xué)環(huán)境的遮光罩及其內(nèi)部的擋板結(jié)構(gòu)；
[0010](5)對(duì)設(shè)計(jì)的遮光罩進(jìn)行發(fā)射力學(xué)環(huán)境的模態(tài)分析，得到振動(dòng)基頻和各種振動(dòng)沖擊條件下的最大應(yīng)變和應(yīng)力位置，并以此判定遮光罩的力學(xué)性能是否滿足發(fā)射要求，如果滿足則進(jìn)入下一步，如果不滿足則返回步驟(4)重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，直至遮光罩的力學(xué)性能滿足要求以后進(jìn)入下一步；
[0011](6)利用鈦合金機(jī)械加工步驟滿足發(fā)射力學(xué)性能的遮光罩；
[0012](7)根據(jù)步驟(3)中滿足消光比指標(biāo)的消光比仿真計(jì)算時(shí)所對(duì)應(yīng)的碳納米管涂層的吸收率，確定碳納米管生長(zhǎng)工藝參數(shù)；
[0013](8)按照步驟(7)確定的碳納米管生長(zhǎng)工藝參數(shù)，在步驟(6)得到的機(jī)械加工得到的遮光罩內(nèi)壁上生長(zhǎng)碳納米管涂層。
[0014]所述步驟(8)中一種生長(zhǎng)碳納米管涂層的方法為:
[0015](201)采用打磨方式對(duì)鈦合金樣件表面進(jìn)行毛化處理，使得經(jīng)過(guò)打磨的鈦合金樣件表面具有劃痕；
[0016](202)對(duì)經(jīng)過(guò)打磨的鈦合金樣件進(jìn)行清洗，去除有機(jī)污染物；
[0017](203)將鈦合金樣件放入烘干箱烘干；
[0018](204)將鈦合金樣件從烘干箱取出，冷卻后用清水對(duì)鈦合金樣件進(jìn)行清洗；
[0019](205)再次將鈦合金樣件放入烘干箱烘干；
[0020](206)對(duì)鈦合金樣件進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)處理，使得鈦合金樣件的表面形成微觀刻鏤微納米結(jié)構(gòu);或者在鈦合金樣件的表面鍍上鋁鎳雙金屬中間緩沖層；
[0021](207)將步驟(206)處理過(guò)的鈦合金樣件置入碳納米管反應(yīng)爐中；
[0022](208)往碳納米管反應(yīng)爐中通入氬氣，同時(shí)碳納米管反應(yīng)爐開(kāi)始加熱至碳納米管生長(zhǎng)所需溫度；
[0023](209)當(dāng)氬氣充滿碳納米管反應(yīng)爐后，調(diào)整氬氣流量到1000?2000mL/min，同時(shí)通入300?500mL/min的氫氣；
[0024](210)當(dāng)氫氣流量穩(wěn)定并充滿碳納米管反應(yīng)爐后，按照預(yù)定的反應(yīng)速度向碳納米管反應(yīng)爐內(nèi)通入氣態(tài)碳源或弓I入霧狀液態(tài)碳源；
[0025](211)根據(jù)碳納米管陣列所需長(zhǎng)度設(shè)定反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)完畢后，切斷氫氣，停止加熱，并調(diào)小氬氣的流量至100mL/min?150mL/min，待冷卻至室溫后取出鈦合金樣件；
[0026](212)如果步驟(206)中是對(duì)鈦合金樣件進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)處理，則碳納米管涂層制作完成;如果步驟(206)中是對(duì)鈦合金樣件的表面鍍上鋁鎳雙金屬中間緩沖層，則將得到的鈦合金樣件放入高溫爐中，快速升溫至880°C?920°C，持續(xù)I分鐘至10分鐘，而后高溫爐降溫，取出鈦合金樣件，由此完成碳納米管涂層的制作。
[0027]所述步驟(206)中采用電化學(xué)反應(yīng)處理形成微觀刻鏤微納米結(jié)構(gòu)的方法為:采用電化學(xué)反應(yīng)處理工藝對(duì)鈦合金樣件進(jìn)行表面處理，去除掉表面的部分金屬，使得殘留的部分在表面上呈現(xiàn)出微細(xì)毛化結(jié)構(gòu)。
[0028]所述步驟(206)中在鈦合金樣件的表面鍍上鋁鎳雙金屬中間緩沖層的方法為:首先在鈦合金樣件表面蒸鍍或?yàn)R射沉積厚度3?1nm的鋁鎳雙金屬，然后進(jìn)行預(yù)熱處理，使得雙金屬中間緩沖層轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸锿繉雍徒饘偌{米顆粒雙層結(jié)構(gòu)，預(yù)熱溫度范圍400°C?600?C。
[0029]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0030](I)借助本發(fā)明的鈦合金基底上碳納米管陣列生長(zhǎng)工藝，可以使得星敏感器遮光罩的吸光材料由傳統(tǒng)的消光黑漆光吸收涂層轉(zhuǎn)向碳納米管生長(zhǎng)陣列光吸收層，大大提高了涂層的光吸收能力，因此使以往傳統(tǒng)方法不能實(shí)現(xiàn)的高精度和甚高精度星敏感器的低雜光要求得以實(shí)現(xiàn)；
[0031](2)本發(fā)明運(yùn)用碳納米光吸光層生長(zhǎng)工藝以及相應(yīng)的遮光罩優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過(guò)消光能力的提高可以使雜光入射后經(jīng)歷的反射次數(shù)比傳統(tǒng)消雜光方法降低I次到2次，從而使得遮光罩的設(shè)計(jì)尺寸和重量較之傳統(tǒng)吸光涂層和遮光罩設(shè)計(jì)方法大為降低，節(jié)約了衛(wèi)星上的資源消耗；
[0032](3)本發(fā)明提出了一種遮光罩碳納米管吸光層的保護(hù)方法，其特點(diǎn)是既可以實(shí)現(xiàn)碳納米管吸光層的防機(jī)械損傷和防塵保護(hù)，又能夠?yàn)楣δ軠y(cè)試用星模擬器安裝提供支撐，這是傳統(tǒng)遮光罩所沒(méi)有的保護(hù)措施；
[0033](4)本發(fā)明方法提出了一整套碳納米管遮光罩的設(shè)計(jì)與研制流程，可以提高這種遮光罩設(shè)計(jì)的規(guī)范性，填補(bǔ)目前沒(méi)有碳納米管遮光罩設(shè)計(jì)與研制流程的空白。
【附圖說(shuō)明】
[0034]圖1為本發(fā)明方法的流程框圖；
[0035]圖2為本發(fā)明方法的消雜光設(shè)計(jì)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]如圖1所示，為本發(fā)明方法的流程框圖，主要步驟如下:
[0037](一)確定消雜光設(shè)計(jì)指標(biāo)。
[0038]—般遮光罩的消雜光對(duì)象是太陽(yáng)直射的雜光，首先照射到遮光罩入口，再經(jīng)過(guò)漫反射一次或多次后，從出口出射進(jìn)入鏡頭。因此，消雜光設(shè)計(jì)的指標(biāo)一般是按照雜光抑制角(入射的太陽(yáng)光方向與光軸之間所允許的最小夾角)下，出射光與入射光的光通量之比，也即消光比，這個(gè)指標(biāo)也是最終的評(píng)價(jià)指標(biāo)。一般系統(tǒng)的消光比應(yīng)不大于10—5。消光比指標(biāo)評(píng)價(jià)方法還有一種是采用點(diǎn)源透過(guò)率，但在在雜光設(shè)計(jì)階段還是多采用消光比指標(biāo)。
[0039](二)進(jìn)行遮光罩內(nèi)部幾何光學(xué)設(shè)計(jì)。
[0040]就是根據(jù)視場(chǎng)大小和鏡頭口徑大小，以及根據(jù)雜光抑制角和外形尺寸約束確定遮光罩內(nèi)部擋板的位置和尺寸，原則是遮擋經(jīng)過(guò)一次漫反射進(jìn)入到遮光罩出口的雜光光線。
[0041]目前，遮光罩的設(shè)計(jì)主要考慮盡量增加雜光光線在內(nèi)壁上的反射次數(shù)，一般至少為3次漫反射才可到達(dá)焦平面，滿足消光比的指標(biāo)。采用碳納米管作為吸收涂層以后，由于其超強(qiáng)吸光作用，可以使雜光光線經(jīng)過(guò)的漫反射次數(shù)降低到2次，即可達(dá)到傳統(tǒng)設(shè)計(jì)漫反射3次的消雜光效果，引起遮光罩結(jié)構(gòu)和幾何形狀的大幅度簡(jiǎn)化，從而減小了遮光罩的幾何尺寸和重量。比如，傳統(tǒng)技術(shù)中遮光罩一般設(shè)計(jì)成2級(jí)消光結(jié)構(gòu)，而采用碳納米管技術(shù)后可以設(shè)計(jì)成I級(jí)消光結(jié)構(gòu)，而消雜光性能保持不變。這里，要求碳納米管涂層的吸收率達(dá)到不小于99%，而這個(gè)結(jié)果對(duì)于碳納米管陣列本身而言很容易達(dá)到，例如在鈦基底上生長(zhǎng)碳納米管涂層即可達(dá)到這樣的水平，而在硅基底上可達(dá)到99.9%以上。
[0042]在實(shí)際操作過(guò)程中，可以首先確定雜光源特性和遮光罩出口照度允許值，以調(diào)整幾何遮擋和涂層吸收為手段，以類似Lighttools和TracePro等商業(yè)軟件的雜光追跡方法，以出口照度值作為評(píng)價(jià)量，調(diào)整幾何擋板的形狀和尺寸，當(dāng)出口照度在指標(biāo)以內(nèi)時(shí)，認(rèn)為設(shè)計(jì)滿足消雜光要求。
[0043]如圖2所示，圖中標(biāo)號(hào)I?5分別代表不同的入射光線。從圖中可以看出，光線I和光線5之間的光束為太陽(yáng)入射雜光源，抑制角為30度，從遮光罩入口進(jìn)入，打到內(nèi)部擋板上，入射角度范圍是從30度到90度，按照如圖所示的擋板設(shè)計(jì)方法，所有入射角范圍的太陽(yáng)光線打到遮光罩內(nèi)壁后，均不可能一次性反射到遮光罩出口端的鏡頭第一個(gè)光學(xué)面上，因此，實(shí)現(xiàn)了至少2次漫反射到達(dá)鏡頭第一個(gè)光學(xué)面的設(shè)計(jì)要求。這樣的結(jié)果可以使得采用碳納米管涂層時(shí)達(dá)到消光比10—5的技術(shù)要求。
[0044](三)進(jìn)行遮光罩的雜光分析
[0045]這里要分三部分建模:一是幾何模型，二是物理模型，再就是光線追跡模型。幾何模型是遮光罩內(nèi)部幾何尺寸和形狀的數(shù)學(xué)表達(dá)，物理模型就是定義和數(shù)學(xué)表達(dá)出內(nèi)部表面各種特征的表面漫反射特性，而光線追跡模型就是用數(shù)學(xué)方法表達(dá)雜光光源的光能量在遮光罩內(nèi)部的傳播物理過(guò)程，一般用蒙特卡洛方法和有限元方法兩種。
[0046]在進(jìn)行建模以后，就應(yīng)該對(duì)步驟(2)得到的內(nèi)部幾何光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行有效性的驗(yàn)證，也即進(jìn)行入射太陽(yáng)雜光的模擬計(jì)算與分析，得到消光比仿真計(jì)算指標(biāo)，與設(shè)計(jì)要求比較，看是否滿足設(shè)計(jì)要求。如果滿足則可以進(jìn)行下一步的操作，如果不滿足則需要重新進(jìn)行步驟(2)的設(shè)計(jì)，直到滿足設(shè)計(jì)要求以后進(jìn)行下面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
[0047](四)進(jìn)行遮光罩的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定初步的遮光罩內(nèi)、外結(jié)構(gòu)。
[0048]這一步主