專利名稱：一種中高溫太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能光熱利用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在中高溫條件下使用的選擇性吸收涂層。
背景技術(shù)：
為了提高光熱轉(zhuǎn)換效率，使得光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)能夠成為新能源技術(shù)新的亮點(diǎn)，需要研究和開(kāi)發(fā)選擇性吸收涂層。這種涂層要求在太陽(yáng)光譜所在的可見(jiàn)-近紅外波段具有很高的吸收率，而在熱輻射所在的中遠(yuǎn)紅外波段要求具有很高的反射率。太陽(yáng)光譜性選擇性吸收涂層是高效太陽(yáng)能光熱應(yīng)用的關(guān)鍵。隨著太陽(yáng)能熱利用的不斷發(fā)展，太陽(yáng)能集熱器從低溫應(yīng)用(小于100°c )向中溫應(yīng)用(100°C -4000C )和高溫應(yīng)用(400°C -600°C )發(fā)展，以滿足熱發(fā)電等應(yīng)用領(lǐng)域的需要。也只有把工作溫度向高溫?cái)U(kuò)展，太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)才能成為一種有競(jìng)爭(zhēng)力的新能源形式。當(dāng)前，主流的太陽(yáng)能選擇性吸收表面涂層的吸收層都是應(yīng)用金屬陶瓷材料(金屬-介電材料復(fù)合物)來(lái)作為太陽(yáng)能吸收材料。金屬陶瓷材料的結(jié)構(gòu)特征為金屬納米顆粒彌散在介質(zhì)材料中。在控制了一定的厚度和金屬的體積百分比之后，此種材料在太陽(yáng)能輻射區(qū)域表現(xiàn)為強(qiáng)烈的吸收而對(duì)熱輻射波段則基本為透明。如該材料沉積在紅外波段高反射金屬涂層表面就形成了一個(gè)太陽(yáng)能選擇性吸收表面涂層體系?，F(xiàn)在所用的復(fù)合材料體系不具備高溫應(yīng)用條件下的穩(wěn)定性，故只能在低溫或者中溫時(shí)使用。為了提高中高溫服役條件下選擇性吸收涂層的熱穩(wěn)定性，Mo-Al203/Cu, SS-AlN/SS等材料體系得到了研究和發(fā)展。本發(fā)明從材料的本征特性出發(fā)，提出了吸收層使用NiCrAl-Zr02金屬陶瓷材料體系，通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)的雙層金屬陶瓷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為單層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層材料體系，適用于中高溫工作溫度的太陽(yáng)能集熱器。涂層在高溫下吸收率高、發(fā)射率低、熱穩(wěn)定性好，制備工藝簡(jiǎn)單，適合大規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)明涉及的中高溫選擇性吸收涂層，由基底至表面依次設(shè)有四層薄膜組成，每一層膜的特征如下合金紅外高反射層由NiCr合金靶材和Al靶材濺射而成，Ni 70% -90%, Cr 5% -15%, Al 5% -15%，其厚度范圍為 200-600nm?？箶U(kuò)散層為Al2O3,由Al單質(zhì)靶材反應(yīng)濺射而成，其厚度范圍為20_60nm。吸收層為單層金屬陶瓷結(jié)構(gòu)，其材料為M-ZrO2(M為NiCrAl金屬納米顆粒)金屬陶瓷材料。金屬納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)為15%-50%，厚度為20-60nm。吸收層采用金屬和ZrO2交替沉積多亞層的方式制備。其中金屬采用NiCrAl合金靶材直流濺射的方式制備，而ZrO2使用射頻濺射的方式來(lái)制備。NiCrAl靶材Cr質(zhì)量含量為5% -20%，Al質(zhì)量含量為5% -20%，余量 Ni。
減反射層為Al2O3,由Al2O3單質(zhì)靶材反應(yīng)濺射而成，其厚度范圍為厚度為50_100nm。 基底為鎮(zhèn)基1 溫合金或者不鎊鋼。本發(fā)明涉及利用磁控濺射制備的、能在中高溫(> 400°C )穩(wěn)定工作的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層。包括合金金屬紅外高反射層、擴(kuò)散阻擋層、選擇性吸收層及減反射層。其中合金反射層為NiCrAl合金；擴(kuò)散阻擋層材料為Al2O3 ;吸收層材料為NiCrAl合金納米顆粒和ZrO2混合而成的金屬陶瓷；減反射層材料為Al2O315與常見(jiàn)的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的雙亞層金屬陶瓷結(jié)構(gòu)不同，本發(fā)明所涉及的涂層僅包含單層金屬陶瓷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；氧化鋁層既不但有抗擴(kuò)散、抗氧化的功能，還可以通過(guò)光干涉效應(yīng)達(dá)到增強(qiáng)吸收的效果。在大氣質(zhì)量因子AMl. 5條件下，本涂層吸收率> 93%,600°C發(fā)射率< 13%，該涂層具有良好的熱穩(wěn)定性，可長(zhǎng)期在600°C內(nèi)的真空環(huán)境下使用。本發(fā)明在太陽(yáng)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太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例為本發(fā)明的具體實(shí)施方式

，僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而非用于限制本發(fā)明。實(shí)施例1:結(jié)合圖1所示的涂層剖面層，涂層制備工藝流程為(1)對(duì)基材表面進(jìn)行拋光、去污和清洗，置于磁控濺射設(shè)備之中；(2)使用磁控濺射系統(tǒng)，選用99. 9%的NiCrAl (Ni87. 9Cr5. 5A16. 4)靶材、99. 99% 的 Al2O3 靶材和 99. 99% 的 ZrO2 靶材?；w使用不銹鋼。沉積開(kāi)始前，將真空室本底真空抽至4X10_4Pa。(3)調(diào)節(jié)Ar流量至濺射氣壓O.1Pa，開(kāi)啟NiCrAl靶的直流濺射電源，調(diào)節(jié)電壓至400V，電流O. 1A，制備280nm厚的NiCrAl合金紅外高反射層。(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.1Pa0開(kāi)啟Al2O3靶的射頻濺射電源，調(diào)節(jié)功率至500W，電壓為2000V，對(duì)Al2O3進(jìn)行射頻濺射，制備了 45nm厚的Al2O3抗擴(kuò)散層。(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.1Pa。開(kāi)啟ZrO2靶的射頻濺射電源，調(diào)節(jié)功率至500W，電壓為2000V，對(duì)ZrO2進(jìn)行反應(yīng)濺射；開(kāi)啟NiCrAl靶的直流濺射電源，調(diào)節(jié)電壓至400V，電流O. 1A，對(duì)NiCrAl進(jìn)行直流濺射。利用基底的公轉(zhuǎn)，依次通過(guò)兩個(gè)祀材上方，從而沉積成M/Zr02交替的亞層結(jié)構(gòu)(M = NiCrAl)。通過(guò)調(diào)節(jié)基體公轉(zhuǎn)的速度，調(diào)節(jié)每個(gè)周期中M的厚度為3nm，ZrO2的厚度為7nm。吸收層的總厚度為30nm(6)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(kāi)啟Al2O3靶的射頻濺射電源，調(diào)節(jié)功率至500W，電壓為2000V，對(duì)Al2O3進(jìn)行射頻濺射，制備了 75nm厚的Al2O3減反射層。制備完成之后，使用Lamada950分光光度計(jì)測(cè)試在太陽(yáng)光譜范圍內(nèi)(O. 3_3um)的反射率譜線，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到本實(shí)施例涂層的吸收比為91. 3% ;通過(guò)TJ270-300紅外分光光度計(jì)測(cè)試紅外波段(2. 5-25um)本涂層的反射率比值，計(jì)算得到涂層的半球發(fā)射率為4. 21% (80 0C ),9.41% (450 °C )。使用 XPS (型號(hào)PH1-5400)深度剖析得到所濺射的 NiCrAl合金比例為Ni88. 5-Cr 5. 7_A1_5. 6。大氣狀態(tài)下，450°C下48小時(shí)恒溫處理，涂層完好，吸收率和發(fā)射率無(wú)變化。從本實(shí)施例可以看到，本發(fā)明所涉及的太陽(yáng)能涂層具有高吸收比和低發(fā)射率。而本涂層體系每層的熱膨脹系數(shù)差距不大。NiCrAl合金在高溫下的氧化行為是Al元素?cái)U(kuò)散至界面處優(yōu)先氧化生成氧化鋁。這就為薄膜本體提供了保護(hù)，而且生成的氧化鋁還能修復(fù)熱循環(huán)導(dǎo)致的裂紋，阻止氧在涂層中的進(jìn)一步擴(kuò)散。這種機(jī)制就使得本涂層擁有非常好的熱穩(wěn)定性。本涂層的材料體系簡(jiǎn)單，對(duì)制備的控制精度要求不高，單層系統(tǒng)膜厚控制誤差達(dá)到6 %，光譜響應(yīng)仍然沒(méi)有明顯的改變，易于組織大規(guī)模生產(chǎn)。
權(quán)利要求
1.一種中高溫太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，沉積在基底上，從基底表面向上依次由合金紅外高反射層、抗擴(kuò)散層、吸收層和減反射層組成，其特征在于吸收層為金屬陶瓷吸收層，所述金屬陶瓷吸收層可表示為NiCrAl-Zr02，金屬陶瓷吸收層由NiCrAl合金納米顆粒和Zr02組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其特征在于所述的合金紅外高反射層為NiCrAl合金薄膜層，其重量成分組成為Ni 70% -90%, Cr 5% -15%, Al 5% -15%，其厚度范圍為200-600nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其特征在于所述的抗擴(kuò)散層為Al2O3薄膜層，其厚度范圍為20-60nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其特征在于所述的金屬陶瓷吸收層為單層金屬陶瓷，金屬納米顆粒鑲嵌于Zr02陶瓷之中，其NiCrAl金屬納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)為15 % -50 %，NiCrAl靶材Cr質(zhì)量含量為5 % -20 %，Al質(zhì)量含量為5 % -20 %，余量Ni ；厚度為20-60nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其特征在于所述的減反射層為Al2O3薄膜層，厚度為50-100nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其特征在于所述金屬陶瓷吸收層采用的金屬制備靶材為NiCrAl合金靶材，NiCrAl靶材Cr質(zhì)量含量為5% -20% ,Al質(zhì)量含量為5% -20%，余量Ni。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其特征在于涂層所使用的基底為鎳基高溫合金材料或者不銹鋼材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用磁控濺射制備的、能在中高溫(＞400℃)穩(wěn)定工作的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層。包括合金金屬紅外高反射層、擴(kuò)散阻擋層、選擇性吸收層及減反射層。與常見(jiàn)的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的雙亞層金屬陶瓷結(jié)構(gòu)不同，本發(fā)明所涉及的涂層僅包含單層金屬陶瓷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；氧化鋁層既不但有抗擴(kuò)散、抗氧化的功能，還可以通過(guò)光干涉效應(yīng)達(dá)到增強(qiáng)吸收的效果。在大氣質(zhì)量因子AM1.5條件下，本涂層吸收率≥93％，600℃發(fā)射率≤13％，該涂層具有良好的熱穩(wěn)定性，可長(zhǎng)期在600℃內(nèi)的真空環(huán)境下使用。本發(fā)明在太陽(yáng)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)B32B9/04GK103029365SQ20111030049
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者鄧淞文, 李剛, 孫龍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所