[发明专利]一种氧化硅基超黑气凝胶、其制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种氧化硅基超黑气凝胶、其制备方法及应用。所述氧化硅基超黑气凝胶包括由纳米吸光颗粒和氧化硅纳米颗粒相互连接形成的三维多孔网络结构，所述氧化硅纳米颗粒的粒径为2～10nm，所述纳米吸光颗粒的粒径为2～100nm，所述纳米吸光颗粒的组成包括纳米炭黑、碳纳米管、石墨烯、纳米金属金、银等；所述氧化硅基超黑气凝胶具有超宽频吸收性能，在0.25～25μm波段内的吸光率为98～99.9％，反射率为0.1～2％。本发明的氧化硅基超黑气凝胶具有高吸光率，低反射率，同时制备工艺简洁，反应条件温和，在隔热保温、光热水蒸发、光热能量转换、热电转换、光催化、光学仪器等领域具有巨大应用前景。

技术领域

本发明涉及一种氧化硅气凝胶的制备方法，尤其涉及一种氧化硅基超黑气凝胶及其制备方法与应用，属于纳米光学材料技术领域。

背景技术

作为信息载体或能量载体，光在很多民用设施或军事领域中都扮演着很重要的角色，很多光电子器件都是通过传导、反射或吸收光波来实现对器件性能的调控。宽谱吸收体具备宽频段光波吸收的特性，在太阳能利用、传感探测、精密光学、防伪隐身等领域发挥着重要发挥着重要作用。多孔的超黑材料还可以吸收太阳能用于光热海水蒸发、光热催化、热电转换等领域。此外，宽谱吸收体还可以用来屏蔽杂散光，提高光学仪器以及摄影镜头模组的灵敏度和清晰度。材料反射率、透过率以及吸收率之间的关系为：R+T+A＝1，从公式可以看出，如果想要获得超黑高吸收材料，必须尽可能降低反射和透过，透过的消除比较简单，只要吸收层足够厚，就可以完全消除透过。但是只要吸收体与空气之间存在折射率差异就会产生界面反射，因此消除界面反射是极其困难的，只能通过尽可能降低吸收体的折射率，使入射光线尽可能的进入吸收体。

现有的超黑材料主要有金属材料和碳基材料两大类。超黑金属是将铝、铜和镍磷合金等材料，利用化学腐蚀方法或磁控溅射将金属表面刻蚀形成微纳结构，消除了界面阻抗，使其对光有很好的捕捉作用。例如，专利CN104195518A公开了一种黑色吸光薄膜及其制备方法，采用金属或聚合物复制含锥形孔阵列的模板并剥离，得到锥尖阵列金属基底或锥尖阵列聚合物基底，再用磁控溅射的方法，在锥尖阵列金属基底或锥尖阵列聚合物基底上依次溅射铁薄膜和保护层，得到黑色吸光薄膜。英国科学家利用蚀刻技术，用硝酸浸泡含有适量磷元素的镍合金，制造出光线反射率极低的超黑色表面材料，是世界上已知最黑的金属物质，反射率降低至0.4％。但是，超黑金属材料制备存在生产成本高、工艺操作复杂、依赖特定的金属或合金材料。

超黑碳基材料包括碳纳米管、石墨烯、炭黑及其复合材料，英国萨里纳米系统公司(Surrey Nano Systems)研发的″超黑″材料Vantablack，吸光率高达99.965％，由垂直的碳纳米管结构组成，这种纳米管的直径仅有几纳米，当光线入射到纳米管阵列后，就会不断地偏折，反弹，直到最后被完全吸收，反射率低于0.045％。但化学气相沉积方法对真空设备的要求较高，还需要高温处理。炭黑作为黑色颜料的超黑涂料的反射率大概在3～5％，与超黑仍有一定差距。目前降低炭黑涂料表面反射率的处理方法主要为表面处理。利用腐蚀或激光使涂层表面产生相应形状，增强光在表面的来回反射，从而增强吸光效果，但该方法往往要求高，步骤复杂，不利于超黑涂料的工业化生产。碳纳米管的添加可以增强炭黑的吸光率，例如，专利CN112011232A公开了一种超黑涂料及其制备方法，将碳纳米管分散液、炭黑分散液和水性树脂混合后涂覆固化得到超黑涂料，但是树脂的添加降低了超黑涂料的热稳定性和老化性能，也会降低碳纳米管和炭黑的吸光率。