Черное покрытие. Виды, свойства, области применения

Что такое черное покрытие?

"Черное покрытие -  это покрытия с сильным поглощением света. Материал, который имеет черный цвет..."

Полезные статьи:

Что такое поглощение света?

Рассеяние света, виды, свойства

Все о свете

Сильное поглощение - это высокая абсорбционная способность, связаная с сильным тепловыделением, т.е. высокой излучательной способностью. Поэтому черные покрытия также могут потребоваться там, где требуется максимальное тепловое излучение от некоторых деталей. 

Обычно здесь наибольшее значение имеет низкая отражательная способность в инфракрасном диапазоне. Однако существуют также покрытия, которые являются черными для видимого света, но демонстрируют низкую излучательную способность (следовательно, также низкое поглощение) в инфракрасном диапазоне.

Открытие методов черного покрытия

Открытие черного покрытия может быть осуществлено различными способами в зависимости от типа покрытия и его свойств. Например, для открытия черного покрытия на поверхности металла можно использовать следующие методы:

1. Химический метод. Нанесение на поверхность металла специального раствора, который содержит кислоту или щелочь, и затем удаление раствора с помощью воды. Этот метод широко используется для открытия черных покрытий на стали.
2. Механический метод. Использование абразивных материалов для удаления верхнего слоя металла и создания черного покрытия. Этот метод часто используется для открытия черного покрытия на автомобилях.
3. Термический метод. Нагревание поверхности металла до высокой температуры, что приводит к изменению структуры металла и созданию черного покрытия.
4. Электрохимический метод. Использование электрического тока для создания на поверхности металла черного покрытия путем изменения его структуры.

Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки, и выбор метода зависит от конкретных условий и требований к покрытию.

Виды черных покрытий

Полимерные материалы 

Могут быть окрашены различными красителями; некоторая комбинация красителей может сделать материал черным. Такие вещества также могут быть включены в состав красок, например, на акриловой основе. Доступен широкий ассортимент таких материалов, охватывающий большие области параметров с точки зрения отражательной способности в различных спектральных областях, требуемой толщины, вязкости перед нанесением, адгезионных свойств, долговечности и т.д. 

Предварительно, термическая стабильность таких органических материалов весьма ограничена, что делает их непригодными, например, для поглощения высокоинтенсивного лазерного излучения. Кроме того, они могут иметь тенденцию к выделению газов.

Существуют также черные покрытия, содержащие углеродные нанотрубки. Они могут достигать очень низкого коэффициента отражения, намного ниже 1%, в значительном диапазоне длин волн.

Черные неорганические покрытия

Для повышения термостойкости можно использовать , которые могут, например, наноситься в процессах анодирования или химическим травлением. Например, широко используется анодированный алюминий. Некоторые покрытия в основном состоят из оксидов, но есть также никель-фосфорные (Ni–P) покрытия и другие. Такие неорганические черные покрытия могут быть очень прочными, но диапазон доступных свойств материала по сравнению с органическими материалами меньше.

Доступные продукты

Некоторые поставщики предлагают краски, которые производители оптических устройств могут использовать сами для нанесения черных покрытий на детали. На поверхности можно распылять другие продукты.

Для некоторых применений используется черная фольга, которую можно приклеивать, например, к металлическим деталям.

Существуют также услуги по нанесению покрытий, при которых на поставляемые детали наносятся черные покрытия. Это может быть более практичным подходом для веществ, которые необходимо наносить, например, в вакуумном аппарате.

Свойства черного покрытия

Характеристики черного покрытия нельзя полностью охарактеризовать одним числом. Например, полусферической отражательной способностью на определенной длине волны при нормальном падении (составляет несколько процентов, иногда ниже 1%). Часто важен широкий спектральный диапазон – например, полный видимый диапазон или больше. 

Если датчик камеры также обладает некоторой чувствительностью в инфракрасном диапазоне. Кроме того, отражательная способность может существенно зависеть от угла падения и поляризации света. Что касается вероятности задевания, то отражательная способность часто существенно увеличивается.

Некоторые покрытия имеют чрезвычайно низкий коэффициент отражения (значительно ниже 1%) во всей видимой области и могут называться сверхчерными.

Обратите внимание, что оптические свойства покрытия могут меняться со временем. В частности, может наблюдаться старение для эксплуатации в экстремальных условиях.

В некоторых случаях важна способность черного покрытия выдерживать высокую оптическую интенсивность. Это относится к применению в измерителях мощности. Важна высокая термостойкость (химическая стабильность при высоких температурах).

Дополнительные свойства для применений

• Покрытия могут не одинаково хорошо прилипать к разным поверхностям. Например, могут возникнуть проблемы, когда коэффициенты теплового расширения покрытия и подложки плохо совпадают, покрытие не эластичное, а нанесение сопряжено со значительными перепадами температур. Иногда важно, чтобы они прочно прилипали, например, даже к сильно изогнутым поверхностям.

• Например, некоторым черным покрытиям может потребоваться толщина 100 мкм, в то время как другие эффективны уже при толщине всего 10 мкм. Высокая однородность толщины может иметь значение, например, при оснащении такими покрытиями узких щелей и точечных отверстий.
• Существуют черные покрытия с очень высокой механической стабильностью, в то время как другие довольно чувствительны к истиранию и поэтому должны быть защищены от случайного прикосновения.
• Некоторым черным краскам требуется значительное время для высыхания после нанесения, в то время как другие заканчиваются довольно быстро.
• Особенно для покрытий, используемых в вакуумных устройствах, часто важно иметь низкую склонность к выделению газов, что является проблемой для некоторых красок. Обратите внимание, что газы, выделяющиеся из краски, могут не только испортить вакуум, но и привести к отложениям при попадании в лазерный луч.
• В некоторых случаях важна электропроводность, например, для предотвращения электростатических зарядов.

Применение черного покрытия

Черные покрытия можно наносить на различные вещества, такие как:

• металлы,
• полимеры,
• стекла,
• полупроводники,
• керамика и т.д.

В монохроматоре типа Черни–Тернера компоненты с разной длиной волны пространственно разделены дифракционной решеткой, и только узкий диапазон компонентов с длиной волны пропускается через выходную щель. 

Необходимо убедиться, что все компоненты других длин волн, которые должны быть подавлены, не проникают через выходную щель другими способами путем рассеяния внутри корпуса монохроматора. 

Поэтому корпус должен быть оснащен светопоглощающими материалами – в идеале, не только внутренней стороной корпуса, но и светозащитными экранами в правильно выбранных местах. Желательна очень низкая степень отражения. Для этой цели можно использовать оптимизированные черные покрытия. 

Это особенно важно для применений, где слабые спектральные компоненты необходимо обнаруживать в присутствии яркого света на других длинах волн, например, в рамановской спектроскопии.

Аналогично, в приложениях для получения изображений желательно максимально подавлять рассеянный свет. Например, на фотографический объектив может попасть солнечный свет под углом, для которого нет номинальной передачи света на датчик изображения. 

Однако свет может рассеиваться внутри устройства, и такое рассеяние следует подавлять подходящим черным покрытием, чтобы избежать существенного ухудшения качества изображения.

Дисплеи используемые в автомобильной промышленности, часто должны содержать черные детали с черным покрытием. Низкий коэффициент отражения может помочь подавить беспокоящее воздействие солнечного света.

В тепловом измерителе мощности падающий свет должен полностью поглощаться и преобразовываться в тепло. Это может быть достигнуто с помощью черного покрытия на тонкой металлической детали, подключенной к тепловому датчику. Аналогично, черные покрытия необходимы для пироэлектрических детекторов и для отводов луча.

Тепловые солнечные панели должны эффективно поглощать солнечное излучение и передавать его воде, текущей по соединенным трубам. Важно сильное поглощение в инфракрасном и видимом диапазонах, а также длительный срок службы и долговечность при повышенных температурах.

В некоторых космических приложениях используется высокая излучательная способность черных покрытий, например, для обеспечения эффективного охлаждения за счет теплового излучения в космос, в инфракрасных обогревателях или в эталонных стандартах теплового излучения.