一種高溫太陽光譜選擇性吸收涂層的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高溫太陽光譜選擇性吸收涂層及其制備方法，步驟為：（1）選取具低紅外發(fā)射率鎢、鉬、銅或鋁作為金屬紅外高反射層；（2）選擇具有良好高溫穩(wěn)定性的過渡金屬氮化物作為吸收層材料，通過控制涂層中難熔金屬的含量，得到第一吸收層和第二吸收層；（3）Si的氮化物或Si的氧化物為減反射層；針對不同的膜層材料通過控制氣體流量和濺射功率控制其成分和含量；獲得具有四層結(jié)構(gòu)的光譜選擇性吸收涂層，該涂層的厚度在400納米以下，在太陽能光譜范圍（0.3～2.5微米）具有高的吸收率α（0.93~0.96），在紅外區(qū)域（2.5～50微米）有很低的發(fā)射率ε（0.04～0.06)。
【專利說明】一種高溫太陽光譜選擇性吸收涂層
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽能熱利用材料【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及到使用直流反應(yīng)濺射的方法將難熔金屬摻雜在Si3N4陶瓷基體中形成的太陽光譜選擇性吸收涂層。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能熱利用按使用溫度不同可分為低溫、中溫和高溫?zé)崂?。我國是太陽能熱利用大國，但主要?yīng)用集中在低溫和中溫領(lǐng)域，比如A1-N/A1漸變涂層和SS-AlN干涉吸收涂層，均得到了廣泛的應(yīng)用。而在有高溫?zé)崂梅矫?，還鮮有廣泛使用的膜系結(jié)構(gòu)，主要問題在于沒有高溫穩(wěn)定的太陽光譜選擇性吸收涂層。一般來說，光譜選擇性吸收涂層需要具有高吸收率(>0.94)和高溫低發(fā)射率(〈0.10,400°C),因為涂層的熱輻射損失與T4成正比例關(guān)系。涂層在空氣和真空環(huán)境中的高溫穩(wěn)定性也很重要，這決定了涂層的工作溫度。
[0003]中國發(fā)明專利CN8510042涉及一種A1-N/A1選擇性吸收涂層，該涂層可采用單個技術(shù)Al靶反應(yīng)濺射制備，工藝簡單、成本低，涂層的吸收率可達(dá)0.93，發(fā)射率0.06( IOO0O0在中低溫太陽能真空集熱管上得到了廣泛應(yīng)用。但該涂層在較高溫度工作時，涂層中的鋁粒子活性增加，金屬粒子和絕緣介質(zhì)的熱擴散作用加強，涂層結(jié)構(gòu)紊亂，涂層性能下降，影響了真空管的集熱效率和壽命。
[0004]中國發(fā)明專利CN96102331.7涉及一種M-AlN (M=SS、W等)光譜選擇性吸收涂層，該涂層采用金屬靶在Ar+隊氣氛下反應(yīng)濺射形成。由于采用了雙直流反應(yīng)濺射，沉積效率增加，涂層耐溫性能得到提高。但該涂層使用溫度不能超過350°C，高溫環(huán)境中金屬粒子的擴散導(dǎo)致了涂層失效。
[0005]國際專利W02009107157A2涉及一種金屬-陶瓷復(fù)合涂層作為吸收層的光譜選擇性吸收涂層。該涂層使用W作為金屬粒子摻雜在Al2O3基體中，其中W使用金屬靶直流濺射形成，Al2O3采用陶瓷靶射頻濺射形成或采用金屬靶直流濺射形成。該涂層的吸收率達(dá)到
0.96，580 V發(fā)射率小于0.11，是一種性能非常優(yōu)異的涂層。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種高溫太陽光譜選擇性吸收涂層及其制備方法，本發(fā)明之涂層具有結(jié)構(gòu)簡單、光學(xué)性能優(yōu)良、耐高溫能力強等特點，在制備工藝方面易于實現(xiàn)且調(diào)控簡單，適用于高溫真空集熱管中。
[0007]本發(fā)明提出的高溫太陽光譜選擇性吸收涂層由基底向外依次為金屬紅外高反射層、吸收層和減反射層組成，其特征在于:所述吸收層由含難熔金屬高的體積分?jǐn)?shù)的第一吸收層和含難熔金屬低的體積分?jǐn)?shù)的第二吸收層構(gòu)成。
[0008]本發(fā)明所述的高溫太陽光譜選擇性吸收層是采用直流反應(yīng)濺射的方法將高溫合金即難熔金屬作為金屬粒子摻雜在陶瓷基體中形成的。
[0009]本發(fā)明中的難熔金屬選取的是鑰(Mo)、鎢(W)、耐熱鋼(321、2520)、NiCr合金(50wt%Ni和50wt%Cr)中的一種，陶瓷材料選取的是Si3N4。[0010]其中，NiCr合金指的是含量為50重量％Ni和50重量％Cr。
[0011]本發(fā)明中的基底材料選取的是表面拋光的不銹鋼(304或316)、Cu、Al、玻璃和拋光Si片中的一種。
[0012]本發(fā)明中的金屬紅外高反射層涉及純金屬W、Mo、Al和Cu中的一種，該金屬紅外高反射層所采用的靶材為W、Mo、Al或Cu純金屬靶。反應(yīng)氣體和工作氣體均為高純Ar，采用直流磁控濺射的制備方法，厚度為50-300納米。
[0013]本發(fā)明所述的第一吸收層是金屬粒子體積分?jǐn)?shù)即難熔金屬高的體積分?jǐn)?shù)為
0.3-0.8，厚度為30-150nm，對太陽光譜具有較強的吸收能力，為主要吸收層。第二吸收層是金屬粒子體積分?jǐn)?shù)即難熔金屬低的體積分?jǐn)?shù)為0.05-0.3，厚度為20-150nm，折射率大小在第一吸收層和減反射層之間，與減反射層和第一吸收層共同組成一個折射率逐漸變化的膜系結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的干涉吸收進(jìn)一步增加了涂層的吸收率。
[0014]本發(fā)明中的減反射層主要是Si的氮化物或Si的氧化物，包括Si3N4或SiO2。該層所采用的靶材為Si靶。反應(yīng)氣體和工作氣體為高純Ar與高純N2,或高純Ar與高純O2，采用直流磁控濺射的制備方法，厚度為20-200納米。
[0015]本發(fā)明針對不同的膜層材料通過調(diào)整濺射功率、氮-氧-氬的流量以及沉積時間來控制各膜層厚度和成分。
[0016]本發(fā)明一種中 高溫太陽光譜選擇性吸收涂層及其制備方法，其關(guān)鍵技術(shù)的解決方案是:
[0017](I)基底材料超聲清洗烘干后置入真空室后，對其表面進(jìn)行氬離子轟擊20~30min ；
[0018](2)沉積純金屬紅外高反射層，通過選擇合適的金屬來獲得低的紅外發(fā)射率；
[0019](3)沉積第一吸收層，膜層由高金屬體積分?jǐn)?shù)的金屬陶瓷復(fù)合涂層構(gòu)成(金屬粒子體積分?jǐn)?shù)為0.5-0.8)。
[0020](4)沉積第二吸收層，膜層由低金屬體積分?jǐn)?shù)的金屬陶瓷復(fù)合涂層構(gòu)成(金屬粒子體積分?jǐn)?shù)為0.1-0.5)。
[0021 ] (5)最后沉積氮化物或氧化物減反射層；
[0022](6)為了保證每層膜生長的完整性以及防止各層之間的原子擴散，鍍每層之間間隔5~15min,最后冷卻至室溫后取出樣品。
[0023]本發(fā)明是一種太陽光譜選擇性吸收涂層及其制備方法，其優(yōu)點在于:涂層在太陽光譜范圍(0.3~2.5微米)具有較高的吸收率α (0.93~0.96)，在紅外區(qū)域(2.5~50微米)有很低的發(fā)射率ε (0.01~0.06)，同時具有高溫穩(wěn)定性，滿足太陽能高溫利用的要求。該涂層制備工藝簡單，成本低
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明的涂層的微觀結(jié)構(gòu)模型，其中I為基底，2為金屬紅外高反射層(W、Mo、Al、Cu)，3為含體積分?jǐn)?shù)0.3-0.8難熔金屬的第一吸收層，4為含體積分?jǐn)?shù)0.05-0.3難熔金屬的第二吸收層，5為減反射層(Si3N4、SiO2)。
【具體實施方式】[0025]實施例1
[0026]以Mo-Si3N4膜系為例，由圖1可知，本發(fā)明的太陽光譜選擇性吸收涂層自基底I從下而上分為4層，依次為金屬紅外高反射層2，第一吸收層3，第二吸收層4和減反射層5。在鍍膜機中通入氬氣，采用鑰靶在氬氣氣氛中濺射鍍制Mo薄膜，作為金屬紅外高反射層2，厚度為IOOnm ;采用鑰祀和娃祀在気氣和氮氣的混合氣體中反應(yīng)派射,形成Mo-Si3N4構(gòu)成第一吸收層3,該層的含Mo的體積分?jǐn)?shù)為0.4,厚度為75nm ;米用鑰祀和娃祀在IS氣和氮氣的混合氣體中反應(yīng)濺射，形成Mo-Si3N4構(gòu)成第二吸收層4，該層的含Mo的體積分?jǐn)?shù)為0.1，厚度為55nm ;采用硅靶在氬氣和氮氣的混合氣體中反應(yīng)濺射，形成氮化硅(Si3N4)構(gòu)成減反射層5,該層的厚度為50nm。
[0027]所制備的涂層吸收率可達(dá)0.95，發(fā)射率ε ≤ 0.05 (82°C), ε ≤ 0.08 (400°C)。
[0028]實施例2
[0029]以W-Si3N4膜系為例，本 發(fā)明的太陽光譜選擇性吸收涂層自基底從下而上分為4層。除基底外，第I層為金屬紅外高反射層，采用W靶在氬氣中濺射鍍制W薄膜，厚度為120nm ;第2層為高W含量的第一吸收層,米用鶴祀和娃祀在気氣和氮氣的混合氣體中反應(yīng)濺射，形成W-Si3N4構(gòu)成的第一吸收層，該層的含W的體積分?jǐn)?shù)為0.55，厚度為80nm ;第3層為低W含量的第二吸收層，采用鎢靶和硅靶在氬氣和氮氣的混合氣體中反應(yīng)濺射，形成W-Si3N4構(gòu)成的第二吸收層，該層的含W的體積分?jǐn)?shù)為0.15，厚度為45nm ;第4層為減反射層，采用硅靶在氬氣和氧氣的混合氣體中反應(yīng)濺射，形成氧化硅(SiO2)構(gòu)成減反射層，該層的厚度為35nm ；
[0030]所制備的涂層吸收率可達(dá)0.94，發(fā)射率ε≤ 0.04 (80°C), ε ≤0.09 (400°C)。[0031 ] 上述實施例僅用于說明本發(fā)明，而不是限制本發(fā)明。
【權(quán)利要求】
1.一種高溫太陽光譜選擇性吸收涂層，其特征在于，該吸收涂層由基底向外依次為金屬紅外高反射層、吸收層和減反射層，其中，吸收層由含0.3-0.8體積分?jǐn)?shù)難熔金屬的陶瓷材料第一吸收層和含0.053-0.3體積分?jǐn)?shù)難熔金屬的陶瓷材料第二吸收層構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫太陽光譜選擇性吸收涂層，其特征在于，吸收層中的難熔金屬為Mo、W、321耐熱鋼、2520耐熱鋼、NiCr合金中的一種，陶瓷材料為Si3N4 ;紅外高反射層為純金屬W、Mo、Cu和Al中的一種；減反射層為Si3N4或Si02。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫太陽光譜選擇性吸收涂層，其特征在于:紅外高反射層厚度為50-300納米，第一吸收層的厚度為30~l50nm，第二吸收層厚度為20~l50nm，減反射層厚度為20-200納米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3中的任意一項所述高溫太陽光譜選擇性吸收涂層，其特征在于，所述的吸收涂層通過調(diào)整濺射功率，高純Ar、高純N2和高純O2中的一種或幾種的流量以及沉積時間來控制各吸收涂層的厚度和成分。
【文檔編號】B32B33/00GK103808048SQ201210450638
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月12日
【發(fā)明者】杜淼, 劉曉鵬, 郝雷, 王笑靜, 蔣利軍, 米菁, 于慶河, 王樹茂 申請人:北京有色金屬研究總院