本發(fā)明涉及一種光熱轉(zhuǎn)換吸收涂層，尤其是一種陶瓷襯底表面太陽選擇性吸收涂層及其制備方法。

背景技術(shù)：
近年來，由于建筑一體化設(shè)計(jì)的迫切需求，并伴隨著超薄陶瓷工藝的逐漸成熟，陶瓷集熱器再次得到人們的關(guān)注，我國山東、福建、廣東等地的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)開始研發(fā)、生產(chǎn)與銷售基于釩鈦黑瓷涂層的陶瓷集熱器，釩鈦黑瓷是一種礦渣，釩鈦黑瓷吸收涂層的應(yīng)用對(duì)于促進(jìn)廢棄物資源的再利用具有積極意義；但是釩鈦黑瓷涂層的表面發(fā)射率非常高，達(dá)到80％左右，熱輻射損失很大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)上述缺陷，本發(fā)明提出一種陶瓷襯底表面太陽選擇性吸收涂層，技術(shù)方案如下：一種陶瓷襯底表面太陽選擇性吸收涂層，由三層組成，依次為釩鈦黑瓷吸收層、二氧化硅離子阻隔層、摻銻氧化錫紅外反射層。優(yōu)選地，上述摻銻氧化錫紅外反射層的厚度為300～3000nm。優(yōu)選地，上述釩鈦黑瓷吸收層的厚度為10～30微米。上述二氧化硅離子阻隔層的作用在于，在高溫條件(350～600℃)下，防止釩鈦黑瓷吸收層中雜質(zhì)離子向紅外反射層的擴(kuò)散，形成不可控制的離子摻雜，導(dǎo)致紅外反射性能的劣化。。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在適當(dāng)范圍內(nèi)調(diào)整制備工藝參數(shù)及膜層厚度，對(duì)本發(fā)明效果沒有實(shí)質(zhì)影響。比如，二氧化硅離子阻隔層的厚度可以為100～150nm。本發(fā)明的另一目的是提供一種制備上述陶瓷襯底表面太陽選擇性吸收涂層的方法，其步驟為：先采用噴霧熱解法在釩鈦黑瓷吸收層表面沉積二氧化硅離子阻隔層，再采用噴霧熱解法在二氧化硅離子阻隔層表面沉積摻銻氧化錫紅外反射層，即得到所述陶瓷襯底表面太陽選擇性吸收涂層。其中，所述采用噴霧熱解法在二氧化硅離子阻隔層表面沉積摻銻氧化錫紅外反射層，具體包括如下步驟：(1)以乙二醇為溶劑和配位穩(wěn)定劑，以冰醋酸為水解抑制劑，冰醋酸與乙二醇的體積比為1:1～3，在60～100℃下攪拌反應(yīng)2～4h，分別配制得到銻鹽溶液和錫鹽溶液，銻鹽溶液濃度為0.1～1mol/L，錫鹽溶液濃度為0.1～1mol/L，最后將銻鹽溶液和錫鹽溶液混合，攪拌0.5～2h得到摻銻氧化錫溶膠，使銻離子與錫離子的摩爾比為8～10:100；(2)成膜和熱處理：采用噴涂法在二氧化硅離子阻隔層表面沉積摻銻氧化錫薄膜，襯底溫度為400～600℃，膜層厚度為300～3000nm。制備摻銻氧化錫溶膠時(shí)，使用常用的配位穩(wěn)定劑如單乙醇胺、二乙醇胺、乙酰丙酮等，制得的涂層發(fā)射率偏高，無法獲得理想的產(chǎn)品；發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，使用乙二醇同時(shí)作為溶劑和配位穩(wěn)定劑，可使發(fā)射率降至25％以下，效果理想。具體地，上述銻鹽可以是三氯化銻，所述錫鹽可以是氯化亞錫或草酸錫。具體地，釩鈦黑瓷吸收層可以是復(fù)合結(jié)構(gòu)，采用如下步驟制備：a.將100g基料、0.1～0.5g羧甲基纖維素鈉和40～80g水混合，得到釉漿；其中，基料的成分為：SiO225～49％、Al2O320～25％、Fe2O320～25％、V2O52～4％、TiO24～8％、GaO1～3％、MgO1～3％、K2O1～3％、Na2O2～4％；上述基料為市場(chǎng)上已有的產(chǎn)品，其成分為現(xiàn)有技術(shù)；需要說明的是，基料的成分并非與本發(fā)明之改進(jìn)相關(guān)的特定技術(shù)特征，本領(lǐng)域技術(shù)人員，可以根據(jù)需要在適當(dāng)范圍內(nèi)調(diào)整基料的成分，而對(duì)本發(fā)明的技術(shù)效果不產(chǎn)生實(shí)質(zhì)影響。b.通過噴釉的方法把釩鈦釉漿施在毛坯表面形成生坯(生坯可以是現(xiàn)成的，也可以通過常規(guī)現(xiàn)有技術(shù)制備，比如，可以將長石、石英、高嶺土以及助劑制成具有一定流動(dòng)性的泥漿，采用壓力注漿的方法成型，干燥后得到毛坯)，生坯經(jīng)過修整和干燥得到精坯；c.將精坯在1200℃左右的高溫下進(jìn)行燒結(jié)，冷卻后得到釩鈦黑瓷吸收層，釩鈦黑瓷吸收層的厚度為10～30微米。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，釩鈦黑瓷吸收層的組成和制備方法并非與本發(fā)明之改進(jìn)相關(guān)的特定技術(shù)特征；本發(fā)明的改進(jìn)主要在于摻銻氧化錫紅外反射層的制備方法，無論是否采用上述結(jié)構(gòu)或制備方法的釩鈦黑瓷吸收層，均能夠達(dá)到本發(fā)明的技術(shù)效果，均應(yīng)落入本發(fā)明的范圍之內(nèi)。釩鈦黑瓷吸收層形成后，采用噴霧熱解法在釩鈦黑瓷吸收層的釉表面沉積二氧化硅離子阻隔層，然后再采用噴霧熱解法在二氧化硅離子阻隔層表面沉積摻銻氧化錫紅外反射層。上述采用噴霧熱解法在釩鈦黑瓷吸收層表面沉積二氧化硅離子阻隔層，使用的是現(xiàn)有技術(shù)。二氧化硅離子阻隔層的作用在于，在高溫條件(350～600℃)下，防止釩鈦黑瓷吸收層中雜質(zhì)離子向紅外反射層的擴(kuò)散。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在適當(dāng)范圍內(nèi)調(diào)整制備工藝參數(shù)及膜層厚度，對(duì)本發(fā)明效果沒有實(shí)質(zhì)影響。比如，可以采用如下方法：將正硅酸乙酯加入到乙醇中，并調(diào)節(jié)溶液pH值至2～3，室溫?cái)嚢璺磻?yīng)2h，得到二氧化硅溶膠(比如，取50mL正硅酸乙酯加入到200mL乙醇中，并用17％的HCl調(diào)節(jié)溶液pH值至2～3，室溫?cái)嚢璺磻?yīng)2h，得到濃度為1.2mol/l二氧化硅溶膠)；然后采用噴涂的方法在釩鈦黑瓷吸收層表面(指具有釩鈦黑瓷的一面；當(dāng)采用上述具體方法制備釩鈦黑瓷吸收層時(shí)，這個(gè)表面對(duì)應(yīng)釉面)沉積二氧化硅薄膜，襯底溫度為450℃，薄膜厚度為100～150nm。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出的摻銻氧化錫紅外反射層制備方法，采用乙二醇為配位穩(wěn)定劑與溶劑，可以有效控制銻離子的水解縮合，防止銻離子因水解而聚沉，從而有效控制銻離子的摻雜濃度，使摻銻氧化錫紅外反射層反射2.5微米～25微米之間的紅外輻射，且最高反射率達(dá)到80％，達(dá)到明顯降低選擇性吸收涂層發(fā)射率的目的；本發(fā)明可以得到吸收率大于90％、發(fā)射率小于25％的太陽選擇性吸收涂層。附圖說明圖1為本發(fā)明陶瓷襯底表面太陽選擇性吸收涂層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實(shí)施例1涂層的紫外-可見-紅外區(qū)的反射光譜。具體實(shí)施方式采用帶有積分球的紫外－可見－近紅外分光光度計(jì)和傅立葉紅外光譜儀分別測(cè)定涂層在200～2500nm以及2.5～25μm波段的反射光譜，利用公式(2－1)、(2－2)、(2－3)計(jì)算涂層的太陽光譜反射比ρs、吸收率α以及半球發(fā)射率ε：α＝1-ρs(2－2)其中ρ(λ)為涂膜在波長λ處的積分反射率，Es(λ)，Eb(λ)分別是太陽光譜和黑體輻射光譜在波長λ處的輻射能量。實(shí)施例1膜層結(jié)構(gòu)是陶瓷襯底/釩鈦黑瓷/SiO2/ATO，制備方法如下：(1)釩鈦黑瓷吸收層的制備：將100g基料、0.1～0.5g羧甲基纖維素鈉和40～80g水混合，得到釉漿；其中，基料的成分為：SiO225～49％、Al2O320～25％、Fe2O320～25％、V2O52～4％、TiO24～8％、GaO1～3％、MgO1～3％、K2O1～3％、Na2O2～4％。通過噴釉的方法把釩鈦釉漿施在毛坯表面形成生坯，生坯經(jīng)過修整和干燥得到精坯。將精坯送入窯爐，在1200℃的高溫下完成燒結(jié)，冷卻后得到釩鈦黑瓷吸收層；(2)二氧化硅離子阻隔層制備：取50ml正硅酸乙酯加入到200mL乙醇中，并用17％的HCl調(diào)節(jié)溶液pH值至2～3，室溫?cái)嚢璺磻?yīng)2h，得到濃度為1.2mol/L二氧化硅溶膠；然后采用噴涂的方法在黑色無機(jī)吸收層表面沉積二氧化硅薄膜，襯底溫度為450℃，薄膜厚度為100～150nm。(3)摻銻氧化錫薄膜制備：分別以SbCl3、SnCl2為原料，以乙二醇為溶劑和配位穩(wěn)定劑，加入同體積冰醋酸抑制金屬鹽的水解，在70℃條件下攪拌反應(yīng)2h(經(jīng)過試驗(yàn)，反應(yīng)時(shí)間在2～4h范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明技術(shù)效果沒有明顯影響)，配制SbCl3、SnCl2溶液，溶液濃度均為0.5mol/L；然后，將兩種溶液混合，使銻離子與錫離子的摩爾比達(dá)到8:100，攪拌2h(經(jīng)過試驗(yàn)，反應(yīng)時(shí)間在0.5～2h范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明技術(shù)效果沒有明顯影響)，形成摻銻氧化錫溶膠；最后，采用噴涂法在二氧化硅表面沉積摻銻氧化錫薄膜，襯底溫度為450℃，膜層厚度為900nm。所制備的太陽選擇性吸收涂層結(jié)構(gòu)如圖1所示，吸收率達(dá)到92％，發(fā)射率為20％。該涂層的紫外-可見-紅外區(qū)的反射光譜如圖2所示。實(shí)施例2參考實(shí)施例1，不同之處在于制備摻銻氧化錫紅外反射層時(shí)，冰醋酸與乙二醇體積比為1:2，反應(yīng)溫度為60℃。所制備的太陽選擇性吸收涂層吸收率達(dá)到92％，發(fā)射率為21％。實(shí)施例3參考實(shí)施例1，不同之處在于制備摻銻氧化錫紅外反射層時(shí)，冰醋酸與乙二醇體積比為1:3，反應(yīng)溫度為100℃。所制備的太陽選擇性吸收涂層吸收率達(dá)到90％，發(fā)射率為23％。實(shí)施例4參考實(shí)施例1，不同之處在于制備摻銻氧化錫紅外反射層時(shí)銻鹽溶液和錫鹽溶液濃度均為0.1mol/L。所制備的太陽選擇性吸收涂層吸收率達(dá)到91％，發(fā)射率為23％。實(shí)施例5參考實(shí)施例1，不同之處在于制備摻銻氧化錫紅外反射層時(shí)銻鹽溶液和錫鹽溶液濃度均為1mol/L。所制備的太陽選擇性吸收涂層吸收率達(dá)到93％，發(fā)射率為20％。實(shí)施例6參考實(shí)施例1，不同之處在于制備摻銻氧化錫紅外反射層時(shí)摻雜金屬離子與主體金屬離子的摩爾比達(dá)到9:100。所制備的太陽選擇性吸收涂層吸收率達(dá)到92％，發(fā)射率為20％。實(shí)施例7參考實(shí)施例1，不同之處在于制備摻銻氧化錫紅外反射層時(shí)摻雜金屬離子與主體金屬離子的摩爾比達(dá)到10:100。所制備的太陽選擇性吸收涂層吸收率達(dá)到90％，發(fā)射率為20％。實(shí)施例8參考實(shí)施例1，不同之處在于制備摻銻氧化錫紅外反射層時(shí)所用的錫鹽為草酸錫。所制備的太陽選擇性吸收涂層吸收率達(dá)到92％，發(fā)射率為20％。實(shí)施例9參考實(shí)施例1，不同之處在于制備摻銻氧化錫紅外反射層時(shí)襯底溫度為400℃。所制備的太陽選擇性吸收涂層吸收率達(dá)到92％，發(fā)射率為25％。實(shí)施例10參考實(shí)施例1，不同之處在于制備摻銻氧化錫紅外反射層時(shí)襯底溫度為600℃。所制備的太陽選擇性吸收涂層吸收率達(dá)到92％，發(fā)射率為20％。實(shí)施例11參考實(shí)施例1，不同之處在于摻銻氧化錫紅外反射層厚度為300nm。所制備的太陽選擇性吸收涂層吸收率達(dá)到92％，發(fā)射率為25％。實(shí)施例12參考實(shí)施例1，不同之處在于摻銻氧化錫紅外反射層厚度為600nm。所制備的太陽選擇性吸收涂層吸收率達(dá)到92％，發(fā)射率為25％。實(shí)施例13參考實(shí)施例1，不同之處在于摻銻氧化錫紅外反射層厚度為3000nm。所制備的太陽選擇性吸收涂層吸收率達(dá)到92％，發(fā)射率為20％。對(duì)比例1參考實(shí)施例1，不同之處在于制備摻銻氧化錫紅外反射層時(shí)所用的穩(wěn)定劑為單乙醇胺，溶劑為乙醇，單乙醇胺與金屬離子的摩爾比為1:1。所制備的太陽選擇性吸收涂層吸收率達(dá)到92％，發(fā)射率為35％。對(duì)比例2參考實(shí)施例1，不同之處在于制備摻銻氧化錫紅外反射層時(shí)所用的穩(wěn)定劑為二乙醇胺，溶劑為乙醇，二乙醇胺與金屬離子的摩爾比為1:1。所制備的太陽選擇性吸收涂層吸收率達(dá)到92％，發(fā)射率為50％。對(duì)比例3參考實(shí)施例1，不同之處在于制備摻銻氧化錫紅外反射層時(shí)所用的穩(wěn)定劑為乙酰丙酮，溶劑為乙醇，乙酰丙酮與金屬離子的摩爾比為1:1。所制備的太陽選擇性吸收涂層吸收率達(dá)到90％，發(fā)射率為60％。從實(shí)施例和對(duì)比例可以看出，使用其他物質(zhì)作為穩(wěn)定劑制備摻銻氧化錫紅外反射層，對(duì)發(fā)射率降低效果并不明顯；而本發(fā)明使用乙二醇同時(shí)作為溶劑和穩(wěn)定劑，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射率的大幅降低，在上述實(shí)施例中，可以獲得25％以下的發(fā)射率。