專利名稱：一種中高溫太陽能光熱選擇性吸收涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型太陽能光熱選擇性吸收涂層，是當(dāng)前太陽能槽式光熱發(fā)電、太陽能空調(diào)、海水淡化等太陽能光熱利用中的關(guān)鍵技術(shù)之一。屬于太陽能光熱利用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太陽能光熱利用是太陽能科學(xué)利用的重要應(yīng)用方式之一，當(dāng)前尤其是太陽能的中高溫光熱利用越來越受到人們的重視，其利用方式包括太陽能光熱發(fā)電、太陽能海水淡化、太陽能加熱與干燥、太陽能空調(diào)等。而槽式太陽能光熱發(fā)電是太陽能中高溫光熱利用的典型代表，具有重要的商業(yè)化應(yīng)用前景。而中高溫太陽能光熱選擇性吸收涂層是槽式太陽能光熱發(fā)電核心部件——太陽能集熱管的關(guān)鍵技術(shù)。太陽能光熱選擇性吸收涂層具有在O. 3-2. 5 μ m高吸收，在2. 5-25 μ m高反射特性，是直接將太陽光轉(zhuǎn)變成熱能，同時(shí)又防止輻射損耗的功能性薄膜。為提高太陽能熱利用效率，太陽能利用正從中低溫(80-3000C )向中高溫(300-6000C )發(fā)展。2525目前已研究和發(fā)展的中高溫太陽能光熱選擇性吸收涂層，其吸收層為難熔金屬粒子團(tuán)簇彌散于陶瓷介質(zhì)層內(nèi)的金屬陶瓷薄膜。選用的難熔金屬材料主要由W、Mo、Au、Cu、SS.Pt等。難熔金屬粒子團(tuán)簇在高溫下易發(fā)生氧化、擴(kuò)散等，從而造成選擇性吸收涂層長期在高溫下服役其光學(xué)性能下降，甚至失效。為此，我們提出了一種新型難熔金屬鈦來代替現(xiàn)有技術(shù)中的金屬材料。目前已研究和發(fā)展的中高溫太陽能光熱選擇性吸收涂層，其反射層采用W、Mo、Au等作為紅外反射層 ，在高溫下長期服役，金屬層易和基底材料之間發(fā)生擴(kuò)散，降低膜層性能，為此，我們提出在紅外反射層和基底之間增加一層擴(kuò)散阻擋層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種中高溫應(yīng)用太陽能光熱選擇性吸收涂層，它適用于450°C以內(nèi)各種太陽能光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，如太陽能光熱發(fā)電、太陽能空調(diào)、太陽能干燥和加熱以及海水淡化等。該圖層具有高的吸收率高、低的發(fā)射率以及良好的熱穩(wěn)定性，制備工藝簡便，適合于工業(yè)批量化生產(chǎn)。本發(fā)明所涉及的中高溫太陽能光熱選擇性吸收涂層，由吸熱基底表面到頂部依次由五層膜組成，每層膜的組成和配比如下基底材料為銅或不銹鋼材料。第一層為擴(kuò)散阻擋層，由20-200nm厚的Al2O3或TiN薄膜組成。第二層為紅外反射層，由70_300nm厚的金屬銅或金薄膜構(gòu)成。第三層為高金屬含量吸收層，其成分由金屬鈦顆粒和絕緣介質(zhì)層組成，該絕緣介質(zhì)層采用Al2O3或SiO2 *A1N。該層的厚度為30nm-80nm，金屬鈦的體積含量為30% -60%。第四層為低金屬含量吸收層，其成分仍由金屬鈦顆粒和絕緣介質(zhì)層組成，該絕緣介質(zhì)層仍采用Al2O3或SiO2 *A1N。該層的厚度為20nm-80nm，金屬鈦的體積含量為15% -30%。第五層為30-90nm厚的減反射層，該減反射層采用Al2O3或SiO2或A1N。本發(fā)明所涉及的中高溫太陽能光熱選擇性吸收涂層采用磁控濺射方法制備。本發(fā)明可用于制備中高溫太陽能集熱元件；本發(fā)明增加了 Al2O3或TiN薄膜作為擴(kuò)散阻擋層；吸收層采用金屬鈦納米粒子與其它透明介質(zhì)(如Al2O3或SiO2或AlN)混合形成的金屬陶瓷復(fù)合薄膜。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明涉及一種新型太陽能選擇性吸收涂層，其優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明在金屬紅外反射層和基底之間增加Al2O3或TiN抗擴(kuò)散阻擋層，保證了紅外反射層在高溫工作下的長期穩(wěn)定性；本發(fā)明中的吸收層采用了金屬鈦納米顆粒，金屬鈦本身在600°C下不易氧化，即使在高溫下發(fā)生氧化反應(yīng)，會(huì)在金屬鈦的表面生成TixOy或TixAlyON薄膜，其阻止了鈦的進(jìn)一步氧化，且其本身具有太陽能選擇性吸收特性，不會(huì)對整個(gè)涂層性能產(chǎn)生影響。本發(fā)明所涉及的太陽能選擇性吸收涂層，適用于450 °C以內(nèi)的中高溫太陽能集熱管。在大氣質(zhì)量因子AMl. 5條件下，本發(fā)明涂層吸收率為95. 5 %，半球發(fā)射率為9.8%,該涂層具有良好的熱穩(wěn)定性，可長期在450°C內(nèi)的真空環(huán)境下使用。本發(fā)明在太陽能熱利用領(lǐng)域具有重要的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明涂層剖面層結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例為本發(fā)明的實(shí)施方法，僅用于說明本發(fā)明，而非用于限制本發(fā)明。實(shí)施例結(jié)合圖1所示的涂層剖面層，涂層制備工藝流程為(I)使用磁控濺射系統(tǒng)，選用99. 7%的Ti靶材、99. 99%的Al2O3革巴材和99. 99%的Cu革巴材?；w使用316L不銹鋼。沉積開始前，將真空室本底真空抽至4X10_4Pa。(2)充入工作氣體Ar，調(diào)節(jié)流量使得真空度穩(wěn)定于濺射氣壓O.1Pa0開啟Al2O3靶的射頻濺射電源，調(diào)節(jié)功率至500W，電壓為2000V，對Al2O3進(jìn)行反應(yīng)濺射，制備了 20nm厚的Al2O3擴(kuò)散阻擋層。(3)調(diào)節(jié)Ar流量至濺射氣壓O.1Pa,開啟Cu靶的直流濺射電源，調(diào)節(jié)電壓至400V，電流O. 1A，制備90nm厚的Cu紅外高反射層。(4)充入工作氣體Ar，調(diào)節(jié)流量使得真空度穩(wěn)定于濺射氣壓O.1Pa。開啟Al2O3靶的射頻濺射電源，調(diào)節(jié)功率至500W，電壓為2000V，對Al2O3進(jìn)行反應(yīng)濺射；開啟Ti靶的直流濺射電源，調(diào)節(jié)電壓至400V，電流O. 1A，對Ti進(jìn)行直流濺射。利用基體的公轉(zhuǎn)，依次通過兩個(gè)靶材上方，從而沉積成TiAl2O3交替的亞層結(jié)構(gòu)。其中，第三層即高鈦摻雜層，總厚度為8. 4nm，鈦的體積含量為43. 0% (鈦的粒徑由亞層的厚度決定，亞層的厚度可在Ι-lOnm，而其粒徑與亞層的厚度相當(dāng))，每個(gè)周期中Ti的厚度為1. 8nm, Al2O3的厚度為2. 4nm，共兩個(gè)周期；第四層即低鈦摻雜層，總厚度為60. 2nm,鈦的體積含量為27 %，共沉積Ti/Al2039個(gè)周期，每個(gè)周期中Ti的厚度為1. 8nm(鈦的粒徑由亞層的厚度決定,亞層的厚度可在1-1Onm,而其粒徑與亞層的厚度相當(dāng))，Al2O3的厚度為4. 87nm。(5)充入工作氣體Ar，調(diào)節(jié)流量使得真空度穩(wěn)定于濺射氣壓O.1Pa0開啟Al2O3靶的射頻濺射電源，調(diào)節(jié)功率至500W，電壓為2000V,對Al2O3進(jìn)行反應(yīng)濺射，制備了 46. 9nm厚的Al2O3減反射層。制備完成之后，使用Lamada 950紫外/可見/近紅外分光光度計(jì)和TJ 270-300紅外分光光度計(jì)分別對對涂層在太陽光譜范圍內(nèi)(0.3-3um)和紅外輻射波段(2.5-25um)的反射率進(jìn)行了測試，經(jīng)過計(jì)算得到本實(shí)施例涂層的吸收率為95. 5% ;半球發(fā)射率為9. 8%。在大氣狀態(tài)下，經(jīng)過450°C 48小時(shí)的恒溫處理后，涂層無脫落和龜裂現(xiàn)象，且膜層的吸收率和發(fā)射率未發(fā)生變化。從本實(shí)施例可以看到，本發(fā)明所涉及的太陽能涂層具有高吸收比和低發(fā)射率、高溫?zé)岱€(wěn)定性好、生產(chǎn)技術(shù)簡單，易于組織大規(guī)模的生產(chǎn)；例如附著于基底上之后，其可用于中高溫太陽能集熱管的表面選擇性吸收涂層。
權(quán)利要求
1.ー種中高溫太陽能光熱選擇性吸收涂層，涂布在基底上，從基底表面向上依次為擴(kuò)散阻擋層、紅外反射層、高金屬含量吸收層、低金屬含量吸收層、介質(zhì)減反射層；其特征在于: 擴(kuò)散阻擋層為Al2O3或TiN薄膜層； 紅外反射層為金屬銅或金薄膜層； 高金屬含量吸收層是由金屬鈦顆粒和絕緣介質(zhì)組成，所述高金屬含量是指金屬鈦于吸收層中的體積含量為35% -60% ;絕緣介質(zhì)層米用Al2O3或SiO2或AlN ； 低金屬含量吸收層是由金屬鈦顆粒和絕緣介質(zhì)組成，所述低金屬含量是指金屬鈦于吸收層中的體積含量為10% -25% ;絕緣介質(zhì)層米用Al2O3或SiO2或AlN ； 介質(zhì)減反射層為Al2O3或SiO2或AlN薄膜層。
2.如權(quán)利要求1所述的中高溫太陽能光熱選擇性吸收涂層，其特征在于 基底材料為銅或不銹鋼材料。
3.如權(quán)利要求1所述的中高溫太陽能光熱選擇性吸收涂層，其特征在于 第一層為擴(kuò)散阻擋層，由20-200nm厚的Al2O3或TiN薄膜組成； 第二層為紅外反射層，由70-300nm厚的金屬銅或金薄膜構(gòu)成； 第三層為高金屬含量吸收層，其成分由金屬鈦顆粒和絕緣介質(zhì)層組成，該絕緣介質(zhì)采用Al2O3或SiO2或AlN ;該層的厚度為30nm-80nm，金屬鈦的體積含量為35% -60% ；第四層為低金屬含量吸收層，其成分仍由金屬鈦顆粒和絕緣介質(zhì)層組成，該絕緣介質(zhì)仍采用Al2O3或SiO2或AlN ;該層的厚度為20nm-80nm，金屬鈦的體積含量為10% -25% ；弟五層介質(zhì)減反射層，為30_90nm厚的減反射層，該減反射層米用Al2O3或SiO2或AlN。
4.如權(quán)利要求1、2、3或4所述的中高溫太陽能光熱選擇性吸收涂層，其特征在于 所述高金屬含量吸收層和低金屬含量吸收層是采用磁控濺射沉積方法制備的，其由金屬鈦和絕緣介質(zhì)采用共濺射或交替沉積多亞層方法制備，每ー亞層厚度在1-1Onm以內(nèi)；所述絕緣介質(zhì)為Al2O3或AlN或SiO2材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種新型中高溫太陽能光熱選擇性吸收涂層，該涂層共有五層組成，從吸熱體基底表面到頂部依次為第一層是擴(kuò)散阻擋層；第二層是紅外反射層；第三層為金屬Ti與金屬陶瓷復(fù)合薄膜，；第四層為金屬Ti與金屬陶瓷復(fù)合薄膜；第五層為單層減反射薄膜。在大氣質(zhì)量因子AM1.5條件下，涂層吸收率為95.5％，半球發(fā)射率為9.8％，該涂層具有良好的熱穩(wěn)定性，可長期在450℃內(nèi)的真空環(huán)境下使用。本發(fā)明在太陽能熱利用領(lǐng)域具有重要的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B32B33/00GK103029374SQ2011102998
公開日2013年4月10日 申請日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者李剛, 鄧淞文, 孫龍 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所