本發(fā)明涉及光學(xué)薄膜，具體涉及一種耐超高溫的金屬紅外反射涂層及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、紅外反射涂層是一種在紅外波段具有高反射性能的表面涂層，可以在紅外波段實(shí)現(xiàn)高反射、低發(fā)射的效果，能夠有效降低表面熱發(fā)射率和熱輻射損失，在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換、建筑、航天等領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用，近年來(lái)受到人們?cè)絹?lái)越廣泛的關(guān)注；然而目前常用的紅外反射涂層通常選用mo、w或tin等高熔點(diǎn)材料，它們的紅外反射性能或由于金屬在高溫下電子-聲子作用加劇使得性能降低，或本身紅外反射能力欠佳，這些大大限制了材料在光熱轉(zhuǎn)換、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用，所以迫切需要獲得一種兼具高熱穩(wěn)定性、高紅外反射性能的材料。

2、二十一世紀(jì)初以來(lái)，人們對(duì)紅外反射涂層進(jìn)行了廣泛而深入的研究，使其在保持高紅外反射率的條件下能夠在高溫工作條件下（>600?oc）不發(fā)生光學(xué)特性的衰減。目前涂層通常是基于金屬薄膜的，公開(kāi)號(hào)為cn109373619a公開(kāi)了一種紅外反射層為al、cu、mo、w、cr、co或pt膜的選擇性吸收涂層，能夠在500?oc真空500h退火后保持0.17以下的發(fā)射率。然而，這些純金屬薄膜往往不穩(wěn)定，容易氧化，在更高溫度下易發(fā)生團(tuán)聚而導(dǎo)致納米薄膜的晶粒粗化，導(dǎo)致性能下降。

3、因此，為了獲得能夠耐高溫的金屬紅外反射涂層，研究人員基于微合金化的金屬原子穩(wěn)定化策略來(lái)提高這些金屬紅外反射涂層的熱穩(wěn)定性。在之前的研究中，在ag膜中引入al，通過(guò)在高溫下agal表面形成al2o3鈍化層來(lái)抑制ag的擴(kuò)散，將其作為紅外反射層用于光熱涂層的構(gòu)建，可在500?oc下長(zhǎng)時(shí)間（>1000?h）穩(wěn)定，（j.?h.?gao,?x.?y.?wang,?b.yang,?and?et?al.?plasmonic?agal?bimetallic?alloy?nanoparticles/al2o3nanocermet?thin?films?with?robust?thermal?stability?for?solar?thermalapplications.?advanced?materials?interfaces,?2016,?3:1600248）。具體該方法通過(guò)熱驅(qū)動(dòng)al原子從agal雙金屬合金納米顆粒中向外擴(kuò)散，并且由于al易于氧化，在表面形成了一層鎧裝層，能夠有效地形成阻止ag在層內(nèi)擴(kuò)散的屏障，抑制了ag原子的遷移。因此在保持高反射性能前提上，微合金化是提升金屬薄膜熱穩(wěn)定性的有效路徑。

4、截止目前，實(shí)現(xiàn)更高溫（>600℃）下金屬紅外反射涂層同時(shí)保持結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性和紅外高反射率，仍是一大挑戰(zhàn)，其納米粒子體系在高溫(>600℃)下的熱穩(wěn)定性問(wèn)題還沒(méi)有得到有效解決，因此獲得能夠在更高溫度下穩(wěn)定使用的金屬紅外反射層仍是我們現(xiàn)階段的一大難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對(duì)反射涂層存在的高溫穩(wěn)定性差的問(wèn)題，提供一種耐超高溫的金屬紅外反射涂層，該涂層具有更高溫度下（>600℃）的熱穩(wěn)定性和高紅外反射性能，適用于各種選擇性吸收涂層用于降低其紅外發(fā)射率，且制備工藝簡(jiǎn)單，可重復(fù)性好。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、一種耐超高溫的金屬紅外反射涂層，所述金屬紅外反射涂層自襯底向外依次包括擴(kuò)散阻擋層、金屬紅外反射層和擴(kuò)散阻擋層；

4、所述金屬紅外反射層為agta合金薄膜，所述擴(kuò)散阻擋層為wzr合金薄膜。

5、如圖1所示，本發(fā)明中設(shè)計(jì)三明治結(jié)構(gòu)的涂層，耐高溫金屬紅外反射涂層需要的是綜合光學(xué)性能和熱穩(wěn)定性兩個(gè)方面的提升，因此不同膜層間的相互匹配很重要。一方面，ag具備優(yōu)異的紅外反射能力，是最有前途的低發(fā)射率金屬之一，選用ag基合金作紅外反射層，在近紅外波段范圍就有很高的反射率，在紅外波段波長(zhǎng)處的反射率可達(dá)98％以上，因此選用ag基合金作紅外反射層可以更顯著的提高體系的紅外反射率；同時(shí)在金屬ag膜引入ta，可以抑制高溫下ag納米粒子的擴(kuò)散和團(tuán)聚；另一方面，上下兩層的阻擋層則可以抑制ag納米粒子在高溫下向外擴(kuò)散蒸發(fā)的可能性，通過(guò)兩者疊加來(lái)穩(wěn)定ag納米粒子體系，使其在高溫下仍具有高紅外反射率。

6、本發(fā)明基于微合金化增強(qiáng)納米金屬熱穩(wěn)定性的思路，采用agta雙金屬納米體系內(nèi)熱擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)的偏析、鈍化提高其微結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性的思路，選用ta作為摻雜金屬，是由于在ag合金內(nèi)ta具有低的偏析能，更容易偏析到晶界處，這可以構(gòu)成晶界遷移的阻力，能夠更有效的提高ag的穩(wěn)定性。而在其中引入zr一方面是為了提高w納米結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性，相較于其它金屬，在w合金內(nèi)zr具有低的偏析能，更容易偏析到晶界處，能夠更有效的提高w的穩(wěn)定性，另一方面則是調(diào)控w的光學(xué)常數(shù)使其更好的與agta薄膜進(jìn)行光學(xué)匹配，最大程度的減少光學(xué)性能的損失。

7、所述金屬紅外反射層中ta原子百分比為0.5?at%-3?at%；ag中ta的加入能夠提高穩(wěn)定性，但會(huì)對(duì)薄膜的反射率有所影響，過(guò)量加入會(huì)導(dǎo)致整個(gè)反射涂層的性能損失，優(yōu)選地，所述金屬紅外反射層中ta原子百分比為1?at%-2.4at%；

8、所述擴(kuò)散阻擋層中zr原子百分比為2?at%-8?at%。擴(kuò)散阻擋層中金屬zr的體積分?jǐn)?shù)和agta層薄膜的厚度需要相互匹配，通過(guò)引入zr來(lái)調(diào)控w的光學(xué)性能來(lái)更好的與agta合金層薄膜匹配，耐高溫金屬紅外反射層的光學(xué)性能和熱穩(wěn)定性才能得到協(xié)同優(yōu)化。優(yōu)選地，所述擴(kuò)散阻擋層中zr原子百分比為3?at%-7at%。

9、所述金屬紅外反射層的厚度在100nm以上，更高的厚度方能達(dá)到有效的紅外反射率，所述擴(kuò)散阻擋層的厚度為5-25nm。金屬擴(kuò)散阻擋層主要是抑制ag納米粒子在高溫下向外擴(kuò)散蒸發(fā)的可能性，厚度太薄，抑制效果不明顯，厚度太厚，會(huì)反過(guò)來(lái)影響整體的反射光譜，有時(shí)還會(huì)降低涂層的紅外反射性能。

10、靠近襯底的擴(kuò)散阻擋層厚度為10-20nm，遠(yuǎn)離襯底的擴(kuò)散阻擋層厚度為5-15nm。低于該厚度范圍，抑制ag納米粒子在高溫下向外擴(kuò)散蒸發(fā)不明顯，高于該厚度范圍，則影響整體的反射光譜，造成反射性能的下降。

11、本發(fā)明還提供所述的耐超高溫的金屬紅外反射涂層的制備方法，包括步驟：

12、步驟1，選取金屬w和zr作為共濺射靶材，w位于直流靶位，zr位于射頻靶位，在預(yù)處理后的襯底上多靶磁控濺射，施加等離子體轟擊輔助，得到擴(kuò)散阻擋層；

13、步驟2，選取金屬ag和ta作為共濺射靶材，ag位于直流靶位，ta位于射頻靶位，在擴(kuò)散阻擋層上多靶磁控濺射，施加等離子體轟擊輔助，得到金屬紅外反射層；

14、步驟3，選取金屬w和zr作為共濺射靶材，w位于直流靶位，zr位于射頻靶位，在金屬紅外反射層上多靶磁控濺射，施加等離子體轟擊輔助，得到所述金屬紅外反射涂層。

15、多靶磁控濺射時(shí)氣壓為0.2-0.3pa。

16、所述襯底包括二氧化硅、不銹鋼、硅片和熱硅等中任一種。

17、預(yù)處理方法包括采用丙酮、酒精、去離子水依次對(duì)襯底進(jìn)行超聲清洗，隨后加熱解吸和等離子體濺射清洗。

18、金屬靶材ag和w采用的功率為1.5-4?w/cm2。

19、金屬靶材ta采用的功率范圍為0-0.8?w/cm2；金屬靶材zr采用的功率范圍為0-0.5w/cm2。

20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

21、（1）本發(fā)明采取磁控濺射法直接沉積wzr擴(kuò)散阻擋層和agta紅外反射層，不僅工藝簡(jiǎn)單、成本低、參數(shù)調(diào)控方便、可重復(fù)性好，此外，獲得的涂層結(jié)構(gòu)均勻且性質(zhì)穩(wěn)定，十分利于大面積生產(chǎn)。

22、（2）從光學(xué)性能來(lái)看，本發(fā)明的金屬紅外反射涂層具有高的紅外反射性能，在紅外波段的反射率可以達(dá)到95%以上。

23、（3）從熱穩(wěn)定性能來(lái)看，本發(fā)明的金屬紅外反射涂層具有高的熱穩(wěn)定性，能夠在700?℃環(huán)境條件下經(jīng)歷退火后在紅外波段的反射率依舊保持95%以上，并且在退火后納米結(jié)構(gòu)依舊保持穩(wěn)定。