專利名稱：一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層及其制備方法，是目前太陽(yáng)能槽式熱發(fā)電 的關(guān)鍵技術(shù)之一。具體涉及一種中高溫太陽(yáng)能選擇性吸收涂層及其制備方法。屬于太陽(yáng)能 熱利用和熱發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層具有在太陽(yáng)光譜可見(jiàn)-近紅外波段(300nm-2. 5um)高 吸收，在中遠(yuǎn)紅外波段(2. 5um-30um)高反射的選擇吸收特性，是直接將太陽(yáng)光能量轉(zhuǎn)換為 熱能的功能薄膜。隨著太陽(yáng)能光熱利用需求和技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽(yáng)能光熱應(yīng)用的范圍從 低溫應(yīng)用(彡100°C)向中高溫應(yīng)用(350°C 600°C)發(fā)展，即開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)。目前太陽(yáng)能光熱應(yīng)用范圍主要為低溫(小于100°C)，如普通太陽(yáng)能熱水器為家 庭、賓館提供洗浴以及生活用水等。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)觀點(diǎn)看，中高溫利用有更好的前景和應(yīng)用價(jià) 值。目前已研究和發(fā)展的中高溫太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其結(jié)構(gòu)為以銅或鉬為反射層、以 氧化鋁薄膜作減反層，中間吸收層是一種難熔金屬粒子團(tuán)簇彌散于陶瓷介質(zhì)層構(gòu)成的金屬 陶瓷層，如Mo-A1203。已經(jīng)選用的難熔金屬材料有鎢、鉬等金屬。但是，已有技術(shù)普遍采用一種難熔金屬粒子團(tuán)簇與陶瓷介質(zhì)復(fù)合構(gòu)成金屬陶瓷 層，難熔金屬粒子團(tuán)簇在高溫下容易發(fā)生氧化、擴(kuò)散等，從而造成吸收涂層長(zhǎng)期在高溫下服 役其光學(xué)性能下降，甚至失效。為了提高高溫選擇性吸收涂層的使用范圍和穩(wěn)定性，我們采 用高溫合金代替已有技術(shù)中單一的難熔金屬材料。

發(fā)明內(nèi)容
1、目的本發(fā)明的目的在于提供一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層及其制備方法，它適 用于中高溫(300°C 600°C)太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，用于太陽(yáng)能熱蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和熱發(fā)電 技術(shù)。該涂層吸收率高、發(fā)射率低、熱穩(wěn)定性好，制備工藝簡(jiǎn)便，操作方便，生產(chǎn)周期短，濺射 工況穩(wěn)定。2、技術(shù)方案；為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，它特別適 用于中高溫(300°C 600°C)太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，該涂層在吸 熱體基底表面由底部到頂部形成三層膜結(jié)構(gòu)，每層膜的組成成分及其配比如下吸熱體基底可以為銅或不銹鋼材料。第一層是紅外反射層，由100 300nm厚的鉬、鉬合金、鎳、鎳鋁合金、鎢、鎢合金、 鈦及鈦合金中的一種或幾種金屬膜構(gòu)成。以相應(yīng)的金屬作為靶材，采用直流濺射方法，以氬 氣(Ar)作為濺射氣體制備。紅外反射層對(duì)紅外波段光譜具有高反射特性，發(fā)射率低。第二層是吸收層，其成分由鎳鋁合金顆粒和絕緣介質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合金屬陶瓷層組 成；該絕緣介質(zhì)可以采用氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氧化硅、鎳鋁合金的氮氧化物中的一種 或幾種。該吸收層的結(jié)構(gòu)由厚度和AINi體積百分含量各不同的兩亞層構(gòu)成，第一亞層的厚 度為35 70nm，AlNi體積百分含量為40% 60%，第二亞層的厚度為30 60nm，AlNi體積百分含量為20% 40%。這兩個(gè)亞層不但對(duì)太陽(yáng)光譜具有本征吸收作用，同時(shí)通過(guò)厚度 和AINi體積分?jǐn)?shù)的匹配具有干涉吸收效應(yīng)，加強(qiáng)了涂層的吸收作用。第三層為40-80nm厚的減反射層，所述的減反射層，采用以下材料中的一種或幾 種氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氧化硅等。濺射氣體為氬氣，采用相應(yīng)的鋁，氧化鋁，氮化鋁， 硅，氮化硅，氧化硅等靶材中的一種或幾種，采用射頻濺射或者直流反應(yīng)濺射制備該涂層。本發(fā)明一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的制備方法，其制備步驟如下步驟一在吸熱體基底(銅或不銹鋼材料)上，采用磁控濺射鍍膜儀制備紅外反 射層，由100 300nm厚的鉬、鉬合金、鎳、鎳鋁合金、鎢、鎢合金、鈦及鈦合金等中的一種或 幾種金屬膜構(gòu)成。以相應(yīng)的金屬作為靶材采用直流濺射方法，以氬氣(Ar)作為濺射氣體制 備，制備過(guò)程中濺射功率為2. 5w/cm2濺射氣壓為0. 7pa,氬氣流量為50sCCm。紅外反射層 對(duì)紅外波段光譜具有高反射特性，發(fā)射率低。步驟二采用磁控濺射鍍膜儀制備吸收層，該吸收層成分由鎳鋁合金顆粒和絕緣 介質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合金屬陶瓷層組成，該絕緣介質(zhì)采用氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氧化硅、鎳鋁 合金的氮氧化物等材料中的一種或幾種組成，該復(fù)合金屬陶瓷層采用鎳鋁合金靶和相應(yīng)的 氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氧化硅、鎳鋁合金的氮氧化物等介質(zhì)靶中的一種或幾種，采用共濺 射的方法制備。該吸收層的結(jié)構(gòu)由厚度和AINi體積百分含量各不同的兩亞層構(gòu)成，第一亞 層的厚度為35 70nm，AlNi體積百分含量為40% 60%，第二亞層的厚度為30 60nm， AINi體積百分含量為20% 40%，制備過(guò)程中濺射氣壓為0. 7pa，氬氣流量為50sCCm。這 兩個(gè)亞層對(duì)太陽(yáng)光譜具有本征吸收，同時(shí)通過(guò)厚度和AINi體積分?jǐn)?shù)的匹配形成干涉吸收 效應(yīng)，加強(qiáng)了涂層的吸收作用。步驟三采用磁控濺射鍍膜儀在吸收層之上制備厚度為40-80nm的減反射層，所 述的減反射層，采用以下材料中的一種或幾種組成氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氧化硅等。濺 射氣體為氬氣，采用相應(yīng)的鋁，氧化鋁，氮化鋁，硅，氮化硅，氧化硅等靶材中的一種或幾種， 采用射頻濺射或者直流反應(yīng)濺射制備該層，制備過(guò)程中濺射功率為5w/cm2濺射氣壓為lpa， 氬氣流量為50sccm。3、優(yōu)點(diǎn)及功效本發(fā)明一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層及其制備方法，其優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明所提供的選 擇性吸收涂層由紅外反射層、鎳鋁合金顆粒和絕緣介質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合金屬陶瓷層組成的雙干 涉吸收層和減反射層組成，具有可見(jiàn)_近紅外波段高吸收率，紅外波段低發(fā)射率的特點(diǎn)，吸 收閾值在2. 5um附近，并且采用高熔點(diǎn)的AIM合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)中高溫涂層所使用的單一金屬 材料來(lái)構(gòu)成金屬陶瓷吸收層，從而具有良好的高溫?zé)岱€(wěn)定性，可以長(zhǎng)期在600°C真空環(huán)境中 使用。該涂層制備工藝簡(jiǎn)便、操作方便、易于控制、顯著降低生產(chǎn)成本。適用于中高溫太陽(yáng) 能真空集熱管。


圖1為本發(fā)明選擇性吸收涂層剖面示意圖
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一本發(fā)明提供一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，它包括三層第一層紅外反射層、第二層吸收層和第三層減反射層。第一層是紅外反射層，由200nm厚的Mo金屬膜構(gòu)成，用金屬M(fèi)o靶直流濺射方法， 以Ar氣作為濺射氣體制備。第二層是吸收層，成分由AINi合金團(tuán)簇彌散在絕緣介質(zhì)A1203中的金屬陶瓷層構(gòu) 成，結(jié)構(gòu)由厚度和AINi體積百分含量各不同的兩亞層構(gòu)成，第一亞層的厚度為50nm，AINi 體積百分含量為50%，第二亞層的厚度為30nm，AlNi體積百分含量為30%。這兩個(gè)亞層對(duì) 太陽(yáng)光譜具有本征吸收，同時(shí)通過(guò)厚度和AINi體積分?jǐn)?shù)的匹配形成干涉吸收效應(yīng)，加強(qiáng)了 涂層的吸收作用。第三層為65nm厚的A1203減反射層，濺射氣體為氬氣，采用A1203陶瓷靶射頻濺射 制備或者A1靶直流反應(yīng)濺射制備。本發(fā)明一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的制備方法，其制備步驟如下步驟一制備第一層紅外反射層。在不銹鋼基底上濺射制備200nm的金屬M(fèi)o紅外 反射層。步驟二 制備第二層吸收層。選用純度為99. 99%的AINi靶和A1203靶，分別以直 流、射頻濺射制備AINi和A1203的金屬陶瓷混合層。吸收層結(jié)構(gòu)上由厚度和AINi體積分?jǐn)?shù) 各不同的兩個(gè)亞層(金屬陶瓷層)構(gòu)成。第一亞層的厚度為50nm，AINi體積百分含量為 50%，第二亞層的厚度為30nm，AINi體積百分含量為30%。步驟三制備第三層65nm厚的A1203減反射層，濺射氣體為氬氣，采用A1203陶瓷 靶射頻濺射制備；A1靶直流反應(yīng)濺射制備也可行。本實(shí)施案例制備的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的光學(xué)性能如下在大氣質(zhì)量因子 AMI. 5條件下，涂層吸收率(300nm-2. 5um)為0. 95，發(fā)射率(2. 5um-30um)為0. 09。進(jìn)行真 空熱處理，在2X10_2Pa真空度下，經(jīng)600°C長(zhǎng)時(shí)間保溫后，涂層吸收率和發(fā)射率沒(méi)有明顯的變化。實(shí)施例二 制備一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，包括三層第一層紅外反射層(本例 采用拋光后的銅基底，因?yàn)殂~具有良好的紅外反射特性，所以可以采用該基底直接作為紅 外反射層)、第二層吸收層和第三層減反射層。制備步驟如下步驟一制備第一層紅外反射層。本實(shí)驗(yàn)中基底選用拋光后的銅片，因?yàn)殂~片的紅 外反射率已經(jīng)很高，為了制備工藝的簡(jiǎn)便，直接采用該基底作為紅外反射層。其余制備步驟 同實(shí)施例一相同。本實(shí)施案例制備的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的性能如下在大氣質(zhì)量因子AMI. 5條 件下，涂層吸收率為0. 93，發(fā)射率為0. 06。進(jìn)行真空熱處理，在2X10_2Pa真空度下，經(jīng)600°C 真空長(zhǎng)時(shí)間保溫處理后，涂層吸收率和發(fā)射率沒(méi)有明顯的變化。
權(quán)利要求
一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其特征在于在吸熱體基底表面自下至上依次為紅外反射層、吸收層和減反射層；該紅外反射層，由100 300nm厚的鉬、鉬合金、鎳、鎳鋁合金、鎢、鎢合金、鈦及鈦合金中的一種或幾種金屬膜構(gòu)成；以相應(yīng)的金屬作為靶材，采用直流濺射方法，以氬氣作為濺射氣體制備；該吸收層，其成分由鎳鋁合金顆粒和絕緣介質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合金屬陶瓷層組成，該絕緣介質(zhì)采用氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氧化硅、鎳鋁合金的氮氧化物中的一種或幾種；其結(jié)構(gòu)由厚度和AlNi體積百分含量各不同的兩亞層構(gòu)成，第一亞層的厚度為35 70nm，AlNi體積百分含量為40％ 60％，第二亞層的厚度為30 60nm，AlNi體積百分含量為20％ 40％；該減反射層，其厚度為40 80nm，采用氧化鋁、氮化鋁、氮化硅和氧化硅中的一種或幾種制成；濺射氣體為氬氣，采用相應(yīng)的鋁，氧化鋁，氮化鋁，硅，氮化硅，氧化硅靶材中的一種或幾種射頻濺射或者直流反應(yīng)濺射制備該涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其特征在于該吸熱體基底為 銅和不銹鋼材料中的一種。
3.一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的制備方法，其特征在于該方法具體步驟如下 步驟一選銅和不銹鋼材料中的一種作為吸熱體基底，采用磁控濺射鍍膜儀制備紅外反射層，由100 300nm厚的鉬、鉬合金、鎳、鎳鋁合金、鎢、鎢合金、鈦及鈦合金中的一種或 幾種金屬膜構(gòu)成；以相應(yīng)的金屬作為靶材采用直流濺射方法，以氬氣作為濺射氣體制備，制 備過(guò)程中濺射功率為2. 5w/cm2，濺射氣壓為0. 7pa，氬氣流量為50sCCm ；步驟二 采用磁控濺射鍍膜儀制備吸收層，其成分由鎳鋁合金顆粒和絕緣介質(zhì)構(gòu)成的 復(fù)合金屬陶瓷層組成，絕緣介質(zhì)采用氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氧化硅、鎳鋁合金的氮氧化 物材料中的一種或幾種組成，金屬陶瓷層采用鎳鋁合金靶和相應(yīng)的氧化鋁、氮化鋁、氮化 硅、氧化硅、鎳鋁合金的氮氧化物介質(zhì)靶中的一種或幾種，采用共濺射的方法制備；其結(jié)構(gòu) 由厚度和AINi體積百分含量各不同的兩亞層構(gòu)成，第一亞層的厚度為35 70nm，AINi體 積百分含量為40% 60%，第二亞層的厚度為30 60nm，AINi體積百分含量為20% 40%，制備過(guò)程中濺射氣壓為0. 7pa，氬氣流量為50SCCm ；步驟三采用磁控濺射鍍膜儀在吸收層之上制備厚度為40-80nm的減反射層，該減反 射層，采用氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氧化硅中的一種或幾種組成；濺射氣體為氬氣，采用相 應(yīng)的鋁，氧化鋁，氮化鋁，硅，氮化硅，氧化硅靶材中的一種或幾種，采用射頻濺射或者直流 反應(yīng)濺射制備該層，制備過(guò)程中濺射功率為5w/cm2濺射氣壓為lpa，氬氣流量為50sCCm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層及其制備方法，該涂層在吸熱體基底表面從底部到頂部由三層膜構(gòu)成，第一層是紅外反射層，由金屬鉬薄膜組成；第二層是吸收層，吸收層由鎳鋁合金顆粒和絕緣介質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合金屬陶瓷層組成，結(jié)構(gòu)上由厚度和鎳鋁合金體積百分含量各不同的兩亞層構(gòu)成，第一亞層的厚度為35～70nm，鎳鋁合金體積百分含量為40％～60％，第二亞層的厚度為30～60nm，鎳鋁合金體積百分含量為20％～40％；第三層是氧化鋁陶瓷薄膜構(gòu)成的減反射層。其制備方法有三大步驟。在大氣質(zhì)量因子AM1.5條件下，涂層吸收率為≥0.93，發(fā)射率≤0.09該涂層具有很好的熱穩(wěn)定性，可長(zhǎng)期在600℃的真空環(huán)境下使用。本發(fā)明在太陽(yáng)能熱利用和熱發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域里具有實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B32B9/00GK101922816SQ2010102311
公開(kāi)日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月14日
發(fā)明者劉宇, 張放放, 王聰, 薛亞飛 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)