Спосіб виготовлення моделі абсолютно чорного тіла

Реферат: Спосіб виготовлення моделі абсолютно чорного тіла належить до області виробництва приладів, які працюють в інфрачервоному діапазоні оптичного випромінювання для їх UA 115685 C2 (12) UA 115685 C2 калібрування. Спосіб виготовлення моделі абсолютно чорного тіла полягає в формуванні малорозмірних елементів з металевих та діелектричних матеріалів. Вихідні олігогідроксофенілени синтезують в атмосфері азоту при атмосферному тиску при температурі 200-230 °C тривалістю 30-60 хв. в розплаві, що містить речовину з класу фенолів і хлорид металу в співвідношенні 1:(1,251,60) за масою, продукт синтезу промивають дистильованою водою до повного видалення хлориду цинку і висушують в струмі азоту, а потім термічно обробляють при температурі 250-350 °C в вакуумі при тиску залишкових газів 30-300 МПа. За допомогою запропонованого способу створюють таку структуру, яка має широкий спектр нанота мікропоглинаючих структурних елементів у вигляді графенів і графинів, а також металів та їх оксидів, які поглинають електромагнітне випромінювання в оптичному та радіодіапазонах. UA 115685 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до способів виготовлення моделей абсолютно чорного тіла та може бути використаний у виробництві приладів, які працюють в інфрачервоному діапазоні оптичного випромінювання для їх калібрування. Відома модель абсолютно чорного тіла, що включає трубчастий випромінювач постійного перетину з пірометричним отвором в центрі бічної поверхні, виконаний з анізотропного графіту, водоохолоджувані струмопідведення, принаймні один з яких виконаний рухомим, а також шайби, розташовані між струмопідводами і торцями випромінювача і виконані з анізотропного графіту, шари високої теплопровідності якого перпендикулярні осі випромінювача, що відрізняється тим, що, з метою збереження точності відтворення та передачі температурної шкали при розширенні робочого діапазону температур в область більш низьких температур, шари високої теплопровідності анізотропного графіту у випромінювачі розташовані перпендикулярно його осі, а шайби виконані глухими, причому трубчастий випромінювач виконаний з декількох втулок. [1] Такі моделі абсолютно чорного тіла можуть бути виготовлені за відомими технологіями механічної обробки складових деталей та їх з'єднання. Технологія виготовлення такої моделі складається з відомих технологічних операцій, а виготовлена модель дозволяє проводити калібрування оптичних приладів в інфрачервоному діапазоні. Але конструкція цієї моделі достатньо складна, а сам прилад габаритний. Це не дозволяє встановлювати таку модель абсолютно чорного тіла як складову частину оптичного вузла приладу, тобто не дає можливості інтегрувати цей засіб контролю всередину приладу для самоконтролю. Найбільш близьким технічним рішенням, прийнятим за прототип є спосіб виготовлення метаматеріалу та плоскої моделі абсолютно чорного тіла з нього [2], який являє собою нанесення смужок провідного матеріалу (металу) і діелектрика, які періодично чергуються, причому ширина смужок діелектрика більше, ніж довжина хвилі максимуму випромінювання при даній температурі, проводить матеріал, має в перетині форму прямокутників з плоским торцем, що виходять на випромінюючу поверхню, або трикутників з вершиною, спрямованою в бік випромінюючої поверхні і виходить на неї. В обох випадках радіус кривизни між сусідніми площинами провідного матеріалу повинен бути менше довжини хвилі максимуму випромінювання при даній температурі, при трикутному перетині провідного матеріалу висота трикутників більше довжини хвилі максимуму випромінювання при даній температурі. Такий спосіб дозволяє виготовити матеріал, який виконує функції абсолютно чорного тіла та зробити для калібрування з нього плоску міру, наприклад, прямокутної форми, як наведено в прикладі реалізації цього патенту, достатньо малою за геометричними розмірами, зокрема товщиною. Недоліком такого способу є технологічна складність виготовлення спеціальних поверхневих структур певної геометрії, що збільшує вартість цього виробу та не дозволяє використовувати виготовлену за цим способом міру у широкому оптичному діапазоні, який обмежений виготовленою поверхневою структурою. В основу винаходу поставлена задача створення способу виготовлення плоскої моделі абсолютно чорного тіла у широкому оптичному діапазоні з хаотично та рівномірно розміщеними нанорозмірними складовими частками діелектричних і провідних матеріалів. Поставлена задача вирішується тим, що пропонується спосіб виготовлення моделі абсолютно чорного тіла, який формує плоский елемент, структурні складові з металевих та діелектричних матеріалів якого розміром, меншим довжини хвиль оптичного діапазону, котрий відрізняється тим, що матеріал плоского елемента моделі синтезують з олігогідроксофенілену в атмосфері азоту при атмосферному тиску при температурі 200-230 °C тривалістю 30-60 хв. в розплаві, що містить речовину з класу фенолів і хлорид металу в співвідношенні 1:(1,251,60) за масою, продукт синтезу промивають дистильованою водою до повного видалення хлориду металу і висушують в струмі азоту, а потім термічно обробляють при температурі 250-350 °C в вакуумі при тиску залишкових газів 30-300 МПа, причому за результатами синтезу структурні складові сформованого матеріалу мали розміри від 1 мкм до 0,5 нм хаотично та однорідно перемішані між собою. Позитивний ефект технічного рішення пов'язаний з тим, що така структура має хаотичний та однорідний розподіл нанорозмірних структурних складових з металів, їх окисів та графенів і графітів, що поглинають широкий оптичний та ближній до нього радіохвильовий спектр. Новизна запропонованого технічного рішення полягає в тому, що запропонована послідовність технологічних операцій раніше була невідома і дозволяє отримати однорідну з хаотичним розподілом субмікронних (від 1 мкм до 0,5 нм) структурних складових з різними в широкому діапазоні електропровідними та діелектричними властивостями. Формування з нього 1 UA 115685 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 плоских моделей абсолютно чорного тіла (прямокутників або дисків) відбувається безпосередньо в процесі виконання технологічних операцій у відповідній формі. Приклад реалізації. Вихідні олігомери для отримання полімерів з мультиграфеновою структурою, інтеркальованого нанодисперсними частинками металів, оксидів та вуглецевмісних речовин різної електропровідності або діелектриків являють собою комплексні сполуки олігогідроксофеніленів з різними металами. Олігогідроксофенілени отримують шляхом синтезу в розплаві, що містить речовину з класу фенолів і хлориду металу із групи цинк, алюміній, мідь, марганець в співвідношенні 1:(1,251,60) за масою. Оптимальне співвідношення вибрали таким чином, щоб в результаті синтезу утворювався продукт з найбільш вузьким молекулярномасовим розподілом. Процес проводили в ємності, яку розміщали в печі в атмосфері азоту при атмосферному тиску. Оптимальний діапазон температур становив 200-230 °C. Тривалість синтезу у всіх випадках становила 40 хвилин, що забезпечувало досягнення рівноважної форми молекулярно-масового розподілу олігогідроксофенілену. Продукт синтезу промивали дистильованою водою до повного видалення хлориду цинку і висушували в струмі азоту. Отримання комплексних сполук олігогідроксофеніленів з металами виробляли в середовищі тетрагідрофурану при температурі 25 °C. Цільовий продукт у вигляді осаду відокремлювали від надлишку розчинника. Залишок тетрагідрофурану видаляли у вакуумі при температурах 4050 °C. Синтезовані комплексні сполуки промивали послідовно дистильованою водою і етиловим спиртом, після чого повторно сушили у вакуумі при 40-50 °C. Мультиграфенові полімери, інтеркальованого нанодисперсними частинками металів, отримували з синтезованих комплексних сполук при температурах 250-350 °C (оптимум 320 °C), в діапазоні тисків 30-300 МПа (оптимум 110 МПа), з витримкою при оптимальних параметрах протягом 60 хвилин. Мінімальна границя вибраних температурних режимів відповідала верхній границі тривалості технологічних операцій та була пов'язана з мінімальною швидкістю процесів синтезу сполук і зменшення цих границь економічно недоцільне (вимагало суттєво підвищити тривалість операцій). Максимальна границя вибраних температурних режимів відповідала нижній границі тривалості технологічних операцій. Підвищення цієї границі недоцільне тому, що викликало нестабільність властивостей отриманого продукту (ріст тиском залишкових газів у діапазоні 30300 МПа, нижня границя пов'язана з технічною можливістю технологічного обладнання, що використовували, (форвакуумний насос), а верхня границя тиску залишкових газів була обумовлена швидкістю випаровування і можливістю видалення насосом при різних температурних режимах (250-350 °C, відповідно). Така послідовність технологічних операцій і режимів дозволяла виготовити безпосередньо в процесі синтезу матеріалу компактні моделі абсолютно чорного тіла у вигляді дисків діаметром 20-40 мм та товщиною 3-5 мм. Структура отриманого матеріалу мала широкий спектр геометричних розмірів структурних складових (протяжність здебільшого в напрямку "уздовж площин" в середньому складала 1 мкм, але містила, за даними рентгенівських досліджень, рівномірно та хаотично розташовані між собою складові з субмікронними розмірами, аж до 0,5 нм) (фіг. 1). Присутність шарів графену і/або графану, організованих в пакети, була підтверджена двома незалежними методами: даними рентгенівського розсіювання та оптичної спектроскопії. Ширококутове рентгенівське розсіювання показало вузькі піки інтенсивності, пов'язані з графен-графановими пакетами. Інші піки на кривих розсіювання пов'язані з частками металів (і оксидів з різним ступенем відхилення від стехіометрії). Метали зі складу вихідних олігомерів входять до складу полімерів в двох структурних складових. Це: (1) іони, що зберігають той стан, в якому вони були у вихідних одноядерних комплексах (нульвалентий стан, по типу дібензхрому, теж не можна виключати); (2) кластери та наночастинки. За хімічним складом кластери і частинки - були або метал, або його оксид. Розміри кластерів контролювали методом малокутового рентгенівського розсіювання. Було встановлено, що в отриманих полімерах багато кластерів і частинок розміром від 0,5 до 10-30 нм. Спектр пропускання синтезованого матеріалу при Т=350 °C в діапазоні 2-19 мкм вимірювали на Фур'є спектрометрі FT-801. Для порівняння вимірювались спектри випромінювання білої (на основі оксиду алюмінію), чорної кераміки (на основі карбіду кремнію), а також пластини кремнію, що оброблялась лазером високої потужності з утворенням шорсткої поглинаючої поверхні. На фіг. 2 показано спектри випромінювання цих пластин (2-5) та теоретичний спектр 2 UA 115685 C2 5 10 15 випромінювання чорного тіла (1). В процесі вимірювань застосовувалась стандартна методика визначення спектральної потужності досліджуваних пластин - їх спектри порівнювались зі спектрами промислової моделі чорного тіла в вигляді циліндричної порожнини (є - 0.99). На фіг. 3 приведено ті самі спектри, але в більш широкому спектральному діапазоні (2-19 мкм). Випробовування зразка з метаматеріалу, що виготовлений за прототипом, показали селективність поглинання електромагнітного випромінювання при значенні довжини хвилі, яка залежала від геометричних параметрів нанесених металевих смужок. Тобто матеріал за прототипом не мав поглинання у широкому діапазоні оптичного випромінювання, яке було досягнуте завдяки запропонованому технічному рішенню. Джерела інформації: 1. А.В. Костановский, Л.М. Бучнев, Л.Б. Нефедкина Модель абсолютно черного тела / патент РФ № 1759126 опуб. 20.09.2003г. 2. Б.А. Зон, В.Б. Зон, В.И. Наскидашвили, А.Н. Латышев, А.Н. Лихолет, В.А. Буслов Термический метаматериал патент РФ № 2511809 от 10.04.2014г. Бюл. № 10 3. В. Geffroy, P. le Roy, Chr. Prat. Review. Organic light-emitting diode (OLED) technology: materials, devices and display technologies. / Polymer International - №55-2006.-, pp.572-582. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 Спосіб виготовлення моделі абсолютно чорного тіла, за яким формують плоский елемент, який містить складові з металевих та діелектричних матеріалів, які мають розміри менші, ніж довжини хвиль оптичного діапазону, який відрізняється тим, що матеріал плоского елемента моделі синтезують з олігогідроксофенілену в атмосфері азоту при атмосферному тиску при температурі 200-230 °С тривалістю 30-60 хв. в розплаві, що містить речовину з класу фенолів і хлорид металу в співвідношенні 1:(1,251,60) за масою, продукт синтезу промивають дистильованою водою до повного видалення хлориду металу і висушують в струмі азоту, а потім термічно обробляють при температурі 250-350 °С у вакуумі при тиску залишкових газів 30300 МПа, причому за результатами синтезу структурні складові сформованого матеріалу мають розміри від 1 мкм до 0,5 нм, які хаотично та однорідно перемішані між собою. 3 UA 115685 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4