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0 前言
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通常,对一定范围内的入射光线反射率低于 1%、吸收率高于 99%的材料称为超黑材料。超黑材料的实际应用领域十分广泛,包括能量收集设备[1]、成像系统[2]、光电探测器[3]、军事伪装[4]等。随着器件不断向高精度、高效能方向发展,超黑材料必须具有尽可能高的吸光率,且对光谱响应波段能够拓展至宽波段,达到具有对紫外、可见至远红外全谱段的高吸收。例如在精密光学仪器中,如果不能有效抑制光学系统中的杂散光,检测器的背景噪声就会很高,严重影响成像的清晰度和分辨率。
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超黑材料的设计通常依赖两个方面:一是材料的本征吸光特性,例如碳纳米管、炭黑、金属纳米颗粒等其他黑色颜料;二是用于光捕获的表面微纳复合结构,形成光陷阱,增加入射光的光程,提高光吸收[5-7]。例如,YANG 等[8]通过化学气相沉积法制备得到垂直排列的碳纳米管阵列,展现出极低的光反射率(0.045%)。这种犹如森林的紧密排列使得入射光在其结构内部来回反射,进而最大程度地吸收所有的光子。SUN 等[9]通过高温热解法制备了碳气凝胶超黑材料,其光反射率最低可以达到 0.19%。虽然,研究人员已经实现了多种超黑材料的开发,但是大多数制备方法工艺复杂、条件苛刻(高温、惰性气氛等),更重要的是超黑材料机械稳定性差,易在外力作用下发生破坏[10]。开发一种制备简单、稳定性好的超黑材料仍然是亟待解决的问题。
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模板转印法是在材料表面构建微纳结构的常用方法之一[11]。该方法以具有微纳结构的表面为模板,通过转印、剥离得到与模板结构相反的表面。在模板制备方面,激光技术是一种高效、非接触式的先进加工技术,在微纳制造领域具有显着的优势。激光可以瞬态聚焦诱导光热反应,产生高温,使得树脂基底发生碳化。同时,激光扫描路径可控,能够灵活实现图案化制造[12-13]。
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本文基于激光加工技术制备多孔模板,通过转印、剥离得到具有锥形阵列结构的超黑材料。首先研究了激光参数对模板的影响,其次对转印、剥离后得到的吸光材料的结构与性能进行了讨论,并提出超黑材料的吸光机理;进一步探究了超黑材料在高温老化、光老化和外力作用前后的吸光性能差异,验证了其使用稳定性;最后研究了超黑材料的光热性能,对其在太阳能领域中的潜在应用进行了展望。
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1 试验准备
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1.1 试验材料
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聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS) 购买自深圳市国原科技有限公司,由组分 A(主剂) 和组分 B(固化剂)组成;碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs,>95%)购买自南京先丰纳米材料科技有限公司;4,4’-二氨基二苯甲烷(4,4’-Diaminodiphenyl-methane,DDM,97%)和多聚甲醛(分析纯)购买自上海阿拉丁生化科技有限公司;苯酚(分析纯)购买自上海麦克林生化科技有限公司;二甲苯(分析纯)、乙酸乙酯(分析纯)、石油醚(分析纯)及无水硫酸钠(分析纯)购买自国药集团化学试剂有限公司。
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1.2 样品制备
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1.2.1 苯并噁嗪(Ph-ddm)单体的合成
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苯并噁嗪( Bis(4-(2H-benzo[e] [1,3]oxazin-3(4H)-yl)phenyl)methane,Ph-ddm)单体由 DDM、苯酚和多聚甲醛为原料,经曼尼希反应进行合成[14]。具体地,将苯酚(0.425 mol,40.0 g)、DDM (0.212 mol,42.13 g)和多聚甲醛(0.852 mol, 25.52 g)加入配置有冷凝管和磁力搅拌器的 1 000 mL 烧瓶中,在加入 500 mL 二甲苯后,升温至 120℃反应 6 h。待冷却至室温后,将溶液缓慢倒入 2 000 mL 石油醚中得到沉淀物,逐渐形成黄色沉淀并进行过滤。随后,将该粗产物溶解于 500 mL 的乙酸乙酯中,并用去离子水洗涤三次。最后,用无水硫酸钠进行干燥,使用旋转蒸发仪除去溶剂,得到浅黄色固体产物。其化学结构已通过核磁氢谱进行了确定,其中,7.2~6.8 ppm 的峰归属于苯环上的 H, 5.4 ppm和4.6 ppm的峰分别对应噁嗪环上-O-CH2-N和 Ar-CH2-N-中亚甲基的 H,3.8 ppm 的峰归属于 DDM 中亚甲基的 H。后面三组峰的积分面积比约为 2∶2∶1,满足理论 Ph-ddm 的化学结构。
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1.2.2 聚苯并噁嗪(poly(Ph-ddm))树脂模板的制备
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将 Ph-ddm 单体放入硅胶模具中,将温度升高至 110℃,并在真空条件下脱气 2 h。随后,样品分别在 180 和 210℃下固化 2 h。与模具分离后,获得聚苯并噁嗪( Poly(bis(4-(2H-benzo[e][1,3] oxazin-3(4H)-yl)phenyl)methane),poly(Ph-ddm))树脂基底。
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使用10.6 μm CO2激光系统(Universal VLS 3.50,Universal Laser Systems)对 poly(Ph-ddm)树脂基底表面进行激光辐照,激光扫描路径设置为圆点阵列,点阵由直径为 200 μm点组成。激光功率设置为 10~20 W,激光扫描速率为 0.127 m / s,图像密度为 1 000 PPI(Pixels per inch)。所有试验均在室温条件下(20~25℃)进行。在激光的作用下,制备得到含有孔洞阵列结构的模板。
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1.2.3 PDMS / CNTs 吸光材料的制备
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将一定比例的CNTs与PDMS组份A进行混合,在搅拌 30 min 后,加入 PDMS 组份 B(组份 A 质量∶组份 B 质量 = 1∶1)继续搅拌 5 min,其中 PDMS 质量∶CNTs 质量 = 95∶5。将混合物倒在模板表面并在室温下脱气 1 h,并利用刮刀确保表面平整。在升温至 50℃固化 4 h 后,将 PDMS / CNTs 吸光材料从模板上直接剥离。
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1.3 表征及测试
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采用德国 Bruker 公司 400 MHz AVANCE III 表征样品的核磁共振氢谱,氘代氯仿(CDCl3)作为溶剂。采用 Zeiss EVO 18 SEM 扫描电子显微镜观察样品表面微观形貌,电压 20 kV。采用美国 Perkin-Elmer 公司 Lambda950 紫外可见近红外分光光度计测定样品的吸光性能。由于检测仪器光源切换,样品信号会在 860 nm 处出现波动。样品的吸光率由测量样品对光的反射率以及透过率间接得到。利用高速摄像机(USB 3.0)记录样品在外力作用前后的变化。使用普林塞思氙灯(PL-X300DF)作为光热试验的光源。将光强设置为 1 kW / m2,采用红外热成像仪(FLIR A300)监测样品表面在光照下温度随时间的变化。
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2 结果与讨论
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2.1 模板的制备与表征
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图1 是模板的制备示意图。Poly(Ph-ddm)树脂富含丰富的苯环等易成碳结构,具有高成碳能力[15]。在激光作用下,由于光热效应,短时间内树脂上会积累大量的热能,导致晶格振动。产生的局部高温会破坏树脂中的 C=C、C=O 和 C=N 键等共价键,导致树脂烧蚀,并形成碳材料。当激光按照如图1 所示的点阵图案进行扫描,被烧蚀的区域会形成孔洞结构,通过控制激光功率可以改变孔洞的大小和深度。
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图1 模板制备
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Fig.1 Template fabrication
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图2a~2c 为不同激光功率下所制备模板的表面形貌图。由图可知,孔洞的大小随着激光功率的增加而增加。在激光功率为 10 W 时,孔洞大小为 270 μm;随着激光功率的增加,孔洞大小逐渐增加至 310 μm(15 W)和 360 μm(20 W)。同样地,由于激光输出能量的提升,孔洞深度也随着激光功率的增加而增加。图2d 为代表性模板侧面形貌图。在激光功率为 20 W 时,孔洞深度可以达到 850 μm。
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图2 不同功率下模板的 SEM 图
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Fig.2 SEM images of templates fabricated under different laser powers
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对孔洞中的碳材料进一步表征,其拉曼光谱图如图3 所示。由图可以看出,石墨烯的典型 D 峰 (1 350 cm 1)、G 峰(1 580 cm 1)和2D 峰(2 697 cm 1)分别对应石墨烯结构中的缺陷、sp 2 杂化碳原子面内振动和双声子共振二阶拉曼峰。以上结果说明,在激光作用下,树脂中的部分碳原子可以发生重新排列形成石墨烯结构,这与之前的报道结果类似[16]。
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图3 模板孔洞中碳材料的拉曼光谱图
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Fig.3 Raman spectrum of the carbon material in the template hole
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2.2 PDMS / CNTs 吸光材料的结构与性能
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将 PDMS 前驱体与 CNTs 的混合物浇筑在模板表面,固化完成后将PDMS / CNTs从模板表面剥离,得到吸光材料。图4 为从不同模板表面剥离得到的 PDMS / CNTs 吸光材料的形貌图。可以明显看出,吸光材料具有有序锥形阵列结构,而且锥形结构表面较为粗糙。吸光材料的锥形结构尺寸与模板相关。随着激光功率的增加,锥形结构的深度与宽度之比 (深宽比)逐渐增加,由 1.6(功率 10 W)增加至 2.1(功率 15 W)、2.8(功率 20 W)。研究表明,高深宽比将有利于实现多次光线反射,形成光陷阱,提高光吸收[17]。
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图4 PDMS / CNTs 吸光材料的形貌
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Fig.4 Morphology of the PDMS / CNTs light absorbing materials
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为进一步进行吸光性能研究,利用紫外可见近红外分光光度计在 200~2 000 nm 波长范围内对材料的透光率(T)和反射率(R)进行测试,并通过 A=1−T−R 计算出材料的吸光率(A)。如图5a 所示,三种 PDMS / CNTs 材料均表现出极低的光透过率(< 0.25%)。因此,样品的吸光率很大程度上取决于其反射率。图5b 为样品的反射光谱图,激光功率为 20 W 时制备的样品(PDMS / CNTs-20 W)表现出最低的反射率,约为0.5%;其次为PDMS / CNTs-15 W(2%~2.5%) 和 PDMS / CNTs-10 W(3.5%~4.5%)。显而易见, PDMS / CNTs-20 W 表现出最佳的光吸收。如图5c 所示,PDMS / CNTs-20 W 对于紫外、可见及近红外等宽波长 (200~2 000 nm)范围的光均有较强的吸收,吸光率可以达到大于 99%。
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图5 PDMS / CNTs 吸光材料的透过、反射和吸收光谱图
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Fig.5 Transmission, reflection and absorption spectra of PDMS / CNTs light absorbing materials
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由于 PDMS / CNTs-20 W 表现出大于 99%的吸光率,呈现超黑,因此下文将以此样品为代表,研究超黑材料的相关特性。图6a 为 PDMS / CNTs 超黑材料的实物图。由于高吸光率,材料表面呈现出极度黑色。一方面,这种优异的吸光性能与 CNTs 材料的本征吸光特性相关;另一方面,锥形阵列结构可以通过多次光线反射实现在较宽波段内的减反射并陷光,达到增强吸收的目的,从而最终得到超黑材料(图6b)。
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图6 PDMS / CNTs 超黑材料的实物图及其吸光机理
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Fig.6 Picture and light absorption mechanism of PDMS / CNTs ultra-black material
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为了进一步验证模板的可重复使用性,将使用过的模板再次进行浇筑,在固化后将 PDMS / CNTs 材料从模板表面剥离。如图7 所示,与第一次模板相比,第二次模板制备得到的超黑材料的吸光性能变化不明显。虽然第五次模板制备的超黑材料的吸光性能略有下降,但在 200~2 000 nm 波长范围内,其吸光率仍大于 99%。图7 中插图为模板第一次使用后的形貌图,可以看出,模板孔洞表面仍然保留了微结构。在后续模板使用中,这些微结构可以复刻至吸光材料锥形阵列结构表面,进而确保高吸光性能。模板可重复使用也进一步简化了制备流程并降低了成本。
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图7 模板重复使用后的 PDMS / CNTs 吸光光谱图 (插图为模板使用后的侧面形貌)
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Fig.7 Absorption spectra of PDMS / CNTs after template reuse (inset is the morphology of the template hole after reuse)
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2.3 PDMS / CNTs 超黑材料的耐久性
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除了吸光性能外,超黑材料的耐久性是另一个备受关注的问题。为了测定PDMS / CNTs超黑材料的使用稳定性,首先对样品进行高温热老化和光老化,分别为将样品置于 120℃、500 h 条件进行高温热老化,在 1.25 W /(m2 ·nm)@420 nm、湿度 50% 条件下进行光老化 650 h。图8a 为样品高温热老化前后的吸光性能。在可见光(380~780 nm)范围内,高温热老化后的吸光率变化不大,吸光率为~99.5%。图8b 为样品光老化前后的吸光性能。与原始样品相比,光老化后的吸光率无明显变化,吸光率在 99.5%~99.7%。以上结果说明,PDMS / CNTs 超黑材料可以长期在高温以及光照条件下使用,吸光性能能够基本保持不变。
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图8 老化前后的吸光性能
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Fig.8 Light absorption properties before and after aging
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为了进一步测定 PDMS / CNTs 超黑材料在外力条件下的使用稳定性,利用粘毛滚筒反复碾压表面 1 000 次。图9 为样品在外力作用前后在可见光范围内的吸光性能。很显然,外力作用并不会降低超黑材料的吸光率。超黑材料表面锥形阵列主要由弹性体 PDMS 组成。由于其弹性,即使从上方施加压力,外力释放后也能保持该结构(图10)。而且,在反复碾压后,粘毛滚筒表面也并未明显出现黑色物质。这说明本征吸光材料 CNTs 包覆在树脂中,可以稳定存在。同样地,用手指直接触摸样品表面也不会对吸光性能造成大的影响。因此,PDMS / CNTs 超黑材料具有足够的耐外力稳定性,可以承受日常使用中可能出现的触摸、按压等情况。相比于 CNTs、碳气凝胶等超黑材料,PDMS / CNTs 超黑材料在耐久性上具有极大的优势。
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图9 外力作用前后的吸光性能(插图为滚筒碾压表面实物)
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Fig.9 Light absorption property before and after external force (inset is roller rolling on the sample surface)
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图10 PDMS / CNTs 超黑材料表面反复按压前后的变化
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Fig.10 Changes on the surface of PDMS / CNTs ultra-black material before and after repeated pressing
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2.4 PDMS / CNTs 超黑材料的光热性能
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采用红外热成像仪记录样品在太阳光强度 (1 kW / m2)照射下的表面温度变化,结果以红外热成像照片及数据形式记录在图11 中。如图所示,未照射时,样品在红外热成像照片中与背景融为一体,温度为 22℃。随着光照射的增加,样品表面温度逐渐增加。受到照射后,样品表面吸收的光能转化为热能,导致温度升高。整体来看,样品初期升温速度很快,然后逐渐变缓直至稳定。为了方便研究和描述,定义材料在光照下的平衡温度(Te)为光照 400~800 s 之间温度的平均值。样品的 Te 高达 87℃。为了消除起始温度的影响,计算了样品的升温值(ΔT)为 65℃,优于文献中报道的结构吸光材料[18-20]。例如 XIE 等[19]报道了碳布 / 碳纳米线吸光材料,该材料展现出优异的宽光谱太阳光吸收性 (~99%)。在太阳光强度下,其升温值为 58℃。 PDMS / CNTs 超黑材料优异的吸光能力表明其可作为光吸收层在太阳能利用领域中极具应用潜力。
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图11 PDMS / CNTs 超黑材料的光热性能
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Fig.11 Photothermal property of the PDMS / CNTs ultrablack material
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3 结论
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(1)利用激光加工技术制备了多孔模板,通过转印、剥离制备得到 PDMS / CNTs 超黑材料。这种超黑表面构筑方法工艺简单、条件温和,并且所制备的模板可以重复使用。
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(2)PDMS / CNTs 超黑材料的吸光性能优异,可以实现宽波段范围(200~2 000 nm)内超过 99% 的吸光率。这一方面归因于 CNTs 材料的本征吸光特性;另一方面与 PDMS / CNTs 材料表面的锥形阵列结构相关,这种结构可以通过多次光线反射实现在较宽波段内的减反射并陷光,达到增强吸收的目的。同时,PDMS / CNTs 超黑材料具有出色的耐久性。
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(3)在太阳光强度的照射下,PDMS / CNTs 超黑材料表面表现出超快的光热响应速度,其升温值 (ΔT)达到 65℃,表明在太阳能利用领域中极具应用潜力。
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摘要
超黑材料在光学仪器、能量收集等领域具有广阔的应用前景,但是大多数制备方法条件苛刻,更重要的是其力学性能差,限制了作为光吸收层的应用。基于激光加工技术制备多孔模板,通过转印、剥离得到稳定的聚二甲基硅氧烷 / 碳纳米管 (PDMS / CNTs)超黑材料。通过 SEM、Raman 以及 UV-Vis-NIR 对材料的结构、表面形貌和吸光性能进行表征;利用红外热成像仪记录样品在太阳光下的表面温度变化,研究其光热性能。结果表明,在激光作用下,模板表面能够形成孔洞结构,通过控制激光功率可以改变孔洞的大小和深度。相应地,通过转印、剥离制备得到的 PDMS / CNTs 吸光材料具有不同深宽比的有序锥形阵列结构,而且锥形结构表面较为粗糙。吸光材料在 200~2000 nm 波长范围内均有较强的吸收能力,吸光率能够超过 99%,表面呈现出极度黑色。这一方面归因于 CNTs 材料的本征吸光特性;另一方面与 PDMS / CNTs 材料表面的锥形阵列结构相关,通过多次光线反射实现在较宽波段内的减反射并陷光,达到增强吸收的目的。进一步探究 PDMS / CNTs 超黑材料的耐久性,结果表明,在高温热老化、光老化以及机械外力作用下,其吸光性能基本保持不变。最后,研究了 PDMS / CNTs 超黑材料的光热性能,在太阳光下,其升温值达到 65 ℃。超黑材料的制备方法简单且稳定性好,在吸光领域将具有很大的应用潜力。
Abstract
Owing to their excellent light-absorption properties, ultrablack materials have broad application prospects in optical instruments, energy harvesting, and other fields. However, most methods for preparing them involve harsh conditions. More importantly, ultrablack materials exhibit inferior mechanical properties, which limits their application in light-absorbing layers. In this study, a porous template is prepared using laser processing technology, and robust polydimethylsiloxane / carbon nanotube (PDMS / CNT) ultrablack materials are obtained through transfer and peel-off. The structures, surface morphologies, and light absorption properties of the templateare characterized using scanning electron microscopy, Raman spectroscopy, and ultraviolet-visible-near infraredspectroscopy. The surface-temperature change under one-sun irradiation is recorded using an infrared thermal imaging camera to analyze its photothermal performance. The results show that, under laser ablation, a hole structure is formed on the template surface. The energy of laser irradiation vibrates the lattice of the carbon precursor, thus generating localized and instantaneous high temperatures. High temperatures can easily destroy the C-O, C=O, and N-C bonds in the resin, thus causing resin ablation and carbon formation in the holes. The size and depth of the holes can be altered by controlling the laser power. The hole size increases with laser power. As the laser power increases from 10 to 20 W, the hole size increases from 270 to 360 μm. Similarly, by increasing the laser output energy, the hole depth increases with the laser power. When the laser power is 20 W, the hole depth can reach 850 μm. Correspondingly, the PDMS / CNT light-absorbing materials exhibit an ordered, conical array structure of different sizes, and the surfaces of the conical structures are relatively rough. As the laser power increases, the depth-to-width ratio of the conical structure (aspect ratio) increases gradually from 1.6 (laser power = 10 W) to 2.1 (laser power = 15 W) and 2.8 (laser power = 20 W). A high aspect ratio facilitates multiple light reflections and creates light traps. The PDMS / CNT material prepared under 20 W laser power shows strong absorption in the wavelength range of 200-2000 nm, light absorption exceeding 99%, and an extremely black surface. This is attributed to the intrinsic light-absorption characteristics of the CNT material; moreover, it is related to the conical array structure on the surface of the PDMS / CNT material, which can achieve anti-reflection and light trapping in a wide band through multiple light reflections and enhance light absorption. Thus, the reusability of the template is verified. After the template is reused five times, although the light-absorption performance of the obtained material degrades slightly, its light absorption remains higher than 99% in the wavelength range of 200-2000 nm. The reusable template further simplifies the preparation process and reduces costs. Subsequently, the durability of the PDMS / CNT ultrablack material is investigated. The result shows that its light-absorption performance remains unchanged under high-temperature thermal aging and photoaging. Moreover, the ultrablack material is mechanically stable and can withstand repeated pressing. The conical surface array is primarily composed of a PDMS elastomer. Owing to its elasticity, the structure can recover after an external force is released. Moreover, after repeated pressing, no black substance is observed on the surface of the adhesive roller. This shows that the intrinsic light-absorbing CNTs are embedded in the PDMS and are stable. Compared with ultrablack materials such as carbon nanotubes and carbon aerogels, PDMS / CNT ultrablack materials are significantly more durable. Finally, the photothermal performance of the PDMS / CNT ultrablack material is investigated. Under one-sun irradiation, the surface temperature increases by 65 ℃ at the maximum. The method for preparing ultrablack materials is simple and offers good stability. Thus, ultrablack materials are highly promising for application in light absorption.
Keywords
ultrablack ; laser processing ; nano-micro structure ; light- absorption property ; durability