專利名稱：一種耐高溫的選擇性吸收涂層及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種耐高溫的選擇性吸收涂層及制造方法。
背景技術(shù)：
隨著人類科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)力水平的提高，能源短缺的問題逐漸暴露出來。 傳統(tǒng)能源如石油、天然氣等的日漸枯竭，限制了人類的繼續(xù)發(fā)展和進(jìn)步。在全球性能源緊張的新形勢下，開發(fā)以太陽能為代表的新能源是緩解能源緊張的途徑。在太陽能系統(tǒng)中，以太陽真空集熱管為取能裝置的集熱系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，所說的太陽真空集熱管以太陽能吸收涂層用于吸收入射的太陽輻射，并將其轉(zhuǎn)換為熱能。目前太陽能光熱利用以溫度小于100°C的低溫應(yīng)用為主，如太陽能熱水器，太陽能干燥等。應(yīng)用于上述溫度范圍內(nèi)的太陽能吸收涂層，若工作于較高溫度時(shí)，由于涂層間金屬和介質(zhì)的擴(kuò)散作用加強(qiáng)，涂層結(jié)構(gòu)遭到破壞，使涂層整體性能發(fā)生變化。能在中高溫領(lǐng)域或空氣中長期穩(wěn)定工作的選擇性吸收涂層，工藝相對復(fù)雜，成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供了一種耐高溫的選擇性吸收涂層及制造方法，它易于實(shí)現(xiàn)且調(diào)控簡單，適用于中高溫度環(huán)境條件下的真空或者空氣中，涂層性能穩(wěn)定。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種耐高溫的選擇性吸收涂層，它依次由粘結(jié)層、紅外高反射金屬層、擴(kuò)散阻擋層、吸收層、減反射層組成；其中所述吸收層由金屬一介質(zhì)復(fù)合材料薄膜構(gòu)成，所述金屬一介質(zhì)復(fù)合材料薄膜表由ALN+TiN+SiN+SiTiALN團(tuán)簇組成。所述粘結(jié)層由ALN組成，厚度3 lOnm。所述擴(kuò)散阻擋層的材料為Al或AIN，厚度為10 25nm。所述紅外反射金屬層采用具有較低發(fā)射比的金屬薄膜材料即鋁、銅或銀，其厚度為 20 70nm。所述減反射層介質(zhì)材料薄膜由ALNO、SiALNO, SiTiNO復(fù)合材料組成，厚度30 lOOnm，優(yōu)選 50 80nm。所述吸收層是由2 4個(gè)不同金屬含量的吸收層亞層組成，按照金屬含量不同分為高吸收亞層、低吸收亞層，中間設(shè)置過渡層，靠近基材的第一個(gè)高吸收亞層厚度可控在 30 90nm，遠(yuǎn)離基材的低吸收亞層厚度控在20 60nm，其余為過渡亞層，所述吸收層的整體厚度為50 150nm。所述金屬一介質(zhì)復(fù)合材料的金屬材料制備所需靶材為鋁靶和鈦硅合金靶材。一種耐高溫的選擇性吸收涂層的制備方法，它的步驟為(1)基材可為玻璃或拋光處理的金屬表面，經(jīng)清洗、烘烤后進(jìn)入鍍膜室；(2)對設(shè)備進(jìn)行抽真空，達(dá)到設(shè)定本底真空后，充純氬，給鋁靶通直流電，電流在30 45A范圍內(nèi)，時(shí)間5秒左右，起到洗靶和緩沖氬氣作用；(3)在純氬環(huán)境中，充氮?dú)?，啟動鋁靶與氮?dú)夥磻?yīng)，在基材上沉積粘結(jié)層，工作壓強(qiáng)可選在0. 20 0. 40Pa,電流控制在35 48A，時(shí)間在30 180秒，厚度控制在3 10nm， 具體參數(shù)以鍍完膜后的膜層經(jīng)壓敏膠帶反復(fù)測試后，膜層不脫落為合格；(4)沉積紅外反射金屬層紅外反射金屬層優(yōu)先Al、W、Cu、Ag、Au、Mo，本專利考慮到工業(yè)化生產(chǎn)的成本需要和性能要求，采用Cu或者Al，在純氬環(huán)境中沉積選用的靶材，工作壓強(qiáng)可選在0. 20 0. 40Pa,厚度20 70nm，具體電參數(shù)以膜層的發(fā)射比相對較低為準(zhǔn)；(5)沉積擴(kuò)散阻擋層，擴(kuò)散阻擋層采用濺射Al或AIN，可加在吸收層和紅外發(fā)射金屬層之間或紅外發(fā)射金屬層和完整的太陽能選擇性吸收表面涂層的底層之間，厚度在 10 25nm，也可根據(jù)具體情況，不做該層；(6)沉積吸收層吸收層為2 4層具有不同金屬含量的吸收亞層結(jié)構(gòu)；在氬氣真空環(huán)境中沖入濺射氣體氮?dú)?，以鋁靶和鈦硅合金靶為陰極，采用真空磁控濺射鍍膜技術(shù)，反應(yīng)濺射沉積金屬一介質(zhì)復(fù)合材料薄膜；鋁靶與鈦硅合金靶同時(shí)濺射，反應(yīng)濺射生成 ALN+TiN+SiN+SiTiALN團(tuán)簇，通過調(diào)整鈦硅合金靶陰極的濺射功率，使得吸收亞層中的金屬含量沿著遠(yuǎn)離基材的方向減少，工作壓強(qiáng)可選在0. 20 0. 40 之間，每一個(gè)亞層之間金屬-介質(zhì)復(fù)合材料組分保持一致，鋁靶電流可設(shè)置為固定電流，根據(jù)鍍膜機(jī)的配置電流在 38A 48A之間選擇，通過調(diào)整鈦硅合金靶電流和電壓沉積不同的金屬份額來達(dá)到相鄰亞層之間折射率失配的效果，這樣能使紅外輻射透過，但通過內(nèi)部吸收及相位補(bǔ)償干涉可使太陽輻射得以吸收，靠近基材的第一個(gè)亞層膜層厚度可控在30 90nm，遠(yuǎn)離基材的亞層厚度控在20 60nm，所以整個(gè)吸收層的厚度在50 150nm ；(7)沉積減反射層在氬氣低真空氛圍中沖入氮?dú)夂脱鯕?，啟動鋁靶和鈦硅合金靶，沉積ALNO、SiALNO, SiTiNO復(fù)合材料作為減反射層。由于氮?dú)饬髁颗c氧氣流量的比值越高，所沉積的涂層越趨進(jìn)于SiN，折射率η值則越大，相反，氮?dú)饬髁颗c氧氣流量的比值越低，所沉積的涂層越趨進(jìn)于SiO，雖然是有效的減反層，但沉積率隨之降低。因此本發(fā)明優(yōu)選氮?dú)馀c氧氣流入量的比值低于3. 5，涂層厚度可在30 lOOnm，優(yōu)選50 80nm，這種氧氣通入大流量的氮?dú)庾鳛榉磻?yīng)氣體工作環(huán)境，所產(chǎn)生的SiNO或SiALNO的沉積率是氮化鋁ALN、 氧化鋁ALO的15至30倍，并且這種含氮后的減反層薄膜材料在太陽光譜下具有優(yōu)良的光學(xué)性能，即光學(xué)折射率η < 2. 0，k值趨近于0。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明之涂層在制備工藝方面易于實(shí)現(xiàn)且調(diào)控簡單，成本相對較低，適用于中高溫度環(huán)境條件下的真空或者空氣中，涂層性能穩(wěn)定。涂層的太陽吸收比大于0. 93，涂層發(fā)射比小于等于0. 07。


圖1為本發(fā)明的圖層結(jié)構(gòu)圖；圖2為吸收曲線圖譜。其中，1減反射層，2低吸收層，3高吸收層，4擴(kuò)散阻擋層，5紅外高反射金屬層，6 粘結(jié)層，7基體。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。圖1、圖2中，它依次由基體7、粘結(jié)層6、紅外高反射金屬層5、擴(kuò)散阻擋層4、吸收層(高吸收層3和低吸收層2)、減反射層1組成；其中所述吸收層由金屬一介質(zhì)復(fù)合材料薄膜構(gòu)成，所述金屬一介質(zhì)復(fù)合材料薄膜表由ALN+TiN+SiN+S iTiALN團(tuán)簇組成。所述粘結(jié)層6由ALN組成，厚度3 10nm。所述擴(kuò)散阻擋層4的材料為Al或AIN，厚度為10 25nm。所述紅外反射金屬層5采用具有較低發(fā)射比的金屬薄膜材料即鋁、銅或銀，其厚度為20 70nm。所述減反射層1介質(zhì)材料薄膜由ALNO、SiALNO, SiTiNO復(fù)合材料組成，厚度30 lOOnm，優(yōu)先 50 80nm。所述吸收層是由2 4個(gè)不同金屬含量的吸收層亞層組成，按照金屬含量不同分為高吸收亞層3、低吸收亞層2，中間設(shè)置過渡亞層，靠近基材的第一個(gè)亞層膜層厚度可控在30 90nm，遠(yuǎn)離基材的亞層厚度控在20 60nm，所以整個(gè)吸收層的厚度在50 150nm。所述金屬一介質(zhì)復(fù)合材料的金屬材料制備所需靶材為鋁靶和鈦硅合金靶材。一種耐高溫的選擇性吸收涂層的制備方法，它的步驟為(1)基材可為玻璃或拋光處理的金屬表面，經(jīng)清洗、烘烤后進(jìn)入鍍膜室；(2)對設(shè)備進(jìn)行抽真空，達(dá)到設(shè)定本底真空后，充純氬，給鋁靶通直流電，電流在 30 45A范圍內(nèi)，時(shí)間5秒左右，起到洗靶和緩沖氬氣作用；(3)在純氬環(huán)境中，充氮?dú)?，啟動鋁靶與氮?dú)夥磻?yīng)，在基材上沉積粘結(jié)層，工作壓強(qiáng)可選在0. 20 0. 40Pa,電流控制在35 48A，時(shí)間在30 180秒，厚度控制在3 10nm， 具體參數(shù)以鍍完膜后的膜層經(jīng)壓敏膠帶反復(fù)測試后，膜層不脫落為合格；(4)沉積紅外反射金屬層紅外反射金屬層優(yōu)先Al、W、Cu、Ag、Au、Mo，本專利考慮到工業(yè)化生產(chǎn)的成本需要和性能要求，采用Cu或者Al，在純氬環(huán)境中沉積選用的靶材，工作壓強(qiáng)可選在0. 20 0. 40Pa,厚度20 70nm，具體電參數(shù)以膜層的發(fā)射比相對較低為準(zhǔn)；(5)沉積擴(kuò)散阻擋層，擴(kuò)散阻擋層采用濺射Al或AIN，可加在吸收層和紅外發(fā)射金屬層之間或紅外發(fā)射金屬層和完整的太陽能選擇性吸收表面涂層的底層之間，厚度在 10 25nm，也可根據(jù)具體情況，不做該層；(6)沉積吸收層吸收層為2 4層具有不同金屬含量的吸收亞層結(jié)構(gòu)；在氬氣真空環(huán)境中沖入濺射氣體氮?dú)?，以鋁靶和鈦硅合金靶為陰極，采用真空磁控濺射鍍膜技術(shù)，反應(yīng)濺射沉積金屬一介質(zhì)復(fù)合材料薄膜；鋁靶與鈦硅合金靶同時(shí)濺射，反應(yīng)濺射生成 ALN+TiN+SiN+SiTiALN團(tuán)簇，通過調(diào)整鈦硅合金靶陰極的濺射功率，使得吸收亞層中的金屬含量沿著遠(yuǎn)離基材的方向減少，工作壓強(qiáng)可選在0. 20 0. 40Pa之間，每一個(gè)亞層之間金屬-介質(zhì)復(fù)合材料組分保持一致，鋁靶電流可設(shè)置為固定電流，根據(jù)鍍膜機(jī)的配置電流在 38A 48A之間選擇，通過調(diào)整鈦硅合金靶電流和電壓沉積不同的金屬份額來達(dá)到相鄰亞層之間折射率失配的效果，這樣能使紅外輻射透過，但通過內(nèi)部吸收及相位補(bǔ)償干涉可使太陽輻射得以吸收，靠近基材的第一個(gè)亞層膜層厚度可控在30 90nm，遠(yuǎn)離基材的亞層厚度控在20 60nm，所以整個(gè)吸收層的厚度在50 150nm ；(7)沉積減反射層在氬氣低真空氛圍中沖入氮?dú)夂脱鯕?，啟動鋁靶和鈦硅合金靶，沉積ALNO、SiALNO, SiTiNO復(fù)合材料作為減反射層。由于氮?dú)饬髁颗c氧氣流量的比值越高，所沉積的涂層越趨進(jìn)于SiN，折射率η值則越大，相反，氮?dú)饬髁颗c氧氣流量的比值越低，所沉積的涂層越趨進(jìn)于SiO，雖然是有效的減反層，但沉積率隨之降低。因此本發(fā)明優(yōu)選氮?dú)馀c氧氣流入量的比值低于3. 5，涂層厚度可在30 lOOnm，優(yōu)選50 80nm，這種氧氣通入大流量的氮?dú)庾鳛榉磻?yīng)氣體工作環(huán)境，所產(chǎn)生的SiNO或SiALNO的沉積率是氮化鋁ALN、 氧化鋁ALO的15至30倍，并且這種含氮后的減反層薄膜材料在太陽光譜下具有優(yōu)良的光學(xué)性能，即光學(xué)折射率n < 2. 0，k值趨近于0。實(shí)施例1在玻璃管上沉積本選擇性吸收涂層，以銅靶作為紅外高發(fā)射金屬層材料當(dāng)鍍膜機(jī)本底真空達(dá)3 X 10_3Pa時(shí)，沖入氬氣和氮?dú)猓瑔X靶，生成ALN，工作壓強(qiáng)維持在0. 20Pa,時(shí)間3分鐘；關(guān)閉鋁靶和氮?dú)?，啟動銅靶直流濺射沉積Cu金屬層，時(shí)間5分鐘，工作壓強(qiáng)維持 0. 2Pa ；接著直流濺Al靶，沉積Al膜作為擴(kuò)散阻擋層，時(shí)間30秒；通入氮?dú)?，啟動鋁靶和鈦硅合金靶進(jìn)行直流濺射吸收層，時(shí)間控制在10 14分鐘，鋁靶電流控制在40A不變，通過變化鈦硅合金靶電流和通過氮?dú)饪刂茷R射電壓，以滿足多個(gè)吸收層的設(shè)計(jì)要求，中間為平穩(wěn)過渡電流和氮?dú)饬康淖兓稍O(shè)置不同的過渡層，通過控制氬氣流量，使工作壓強(qiáng)維持在 0. 4Pa ；然后按照氮氧摩爾比近似為97 3，N2 流量為129sccm，O2流量為如ccm，經(jīng)充分混合后從另一個(gè)氣管充入到真空室內(nèi)，啟Al靶和鈦硅合金靶直流濺射產(chǎn)生ALNO、SiALNO, SiTiNO復(fù)合材料作為減反射層，最后制成成品管進(jìn)入排氣臺烘烤420°C 50分鐘。破開成品管后使用島津UV-3600分光光度計(jì)測太陽能選擇性吸收涂層在300 26OOnm太陽能光譜范圍內(nèi)的反射比譜值，結(jié)果見圖2之1曲線，經(jīng)計(jì)算得到太陽吸收比as =0. 936，然后把涂層樣品置于400°C空氣中烘烤96小時(shí)α s = 0. 938.以上所述的實(shí)施例，只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實(shí)施方式
的一種，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進(jìn)行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種耐高溫的選擇性吸收涂層，其特征是，它依次由粘結(jié)層、紅外高反射金屬層、擴(kuò)散阻擋層、吸收層、減反射層組成；其中所述吸收層由金屬一介質(zhì)復(fù)合材料薄膜構(gòu)成，所述金屬一介質(zhì)復(fù)合材料薄膜表由ALN+TiN+SiN+SiTiALN團(tuán)簇組成。
2.如權(quán)利要求1所述的耐高溫的選擇性吸收涂層，其特征是，所述粘結(jié)層由ALN組成， 厚度3 IOnm0
3.如權(quán)利要求1所述的耐高溫的選擇性吸收涂層，其特征是，所述擴(kuò)散阻擋層的材料為Al或AIN，厚度為10 25nm。
4.如權(quán)利要求1所述的耐高溫的選擇性吸收涂層，其特征是，所述紅外高反射金屬層采用具有較低發(fā)射比的金屬薄膜材料即鋁、銅或銀，其厚度為20 70nm。
5.如權(quán)利要求1所述的耐高溫的選擇性吸收涂層，其特征是，所述減反射層介質(zhì)材料薄膜由ALNO、SiALNO, SiTiNO復(fù)合材料組成，厚度30 lOOnm。
6.如權(quán)利要求5所述的耐高溫的選擇性吸收涂層，其特征是，所述減反射層厚度為 50 80nm。
7.如權(quán)利要求1所述的耐高溫的選擇性吸收涂層，其特征是，所述吸收層是由2 4個(gè)不同金屬含量的吸收層亞層組成，按照金屬含量不同分為高吸收亞層、低吸收亞層，中間設(shè)置過渡亞層，靠近基材的高吸收亞層厚度在30 90nm，遠(yuǎn)離基材的低吸收亞層厚度在20 60nm，其余為過渡亞層，整個(gè)吸收層的厚度在50 150nm。
8.如權(quán)利要求1所述的耐高溫的選擇性吸收涂層，其特征是，所述金屬一介質(zhì)復(fù)合材料的金屬材料制備所需靶材為鋁靶和鈦硅合金靶材。
9.一種權(quán)利要求1所述的耐高溫的選擇性吸收涂層的制備方法，其特征是，它的步驟為(1)基材可為玻璃或拋光處理的金屬表面，經(jīng)清洗、烘烤后進(jìn)入鍍膜室；(2)對設(shè)備進(jìn)行抽真空，達(dá)到設(shè)定本底真空后，充純氬，給鋁靶通直流電，電流在30 45A范圍內(nèi)，時(shí)間5秒左右，起到洗靶和緩沖氬氣作用；(3)在純氬環(huán)境中，充氮?dú)?，啟動鋁靶與氮?dú)夥磻?yīng)，在基材上沉積粘結(jié)層，工作壓強(qiáng)可選在0. 20 0. 40Pa,電流控制在35 48A，時(shí)間在30 180秒，厚度控制在3 10nm，具體參數(shù)以鍍完膜后的膜層經(jīng)壓敏膠帶反復(fù)測試后，膜層不脫落為合格；(4)沉積紅外反射金屬層紅外反射金屬層位Al、W、Cu、Ag、Au或Mo，在純氬環(huán)境中沉積選用的靶材，工作壓強(qiáng)在0. 20 0. 40Pa,厚度20 70nm ；(5)沉積擴(kuò)散阻擋層，擴(kuò)散阻擋層采用濺射Al或AIN，加在吸收層和紅外發(fā)射金屬層之間或紅外發(fā)射金屬層和完整的太陽能選擇性吸收表面涂層的底層之間，厚度在10 25nm ； 或不做該層；(6)沉積吸收層吸收層為2 4層具有不同金屬含量的吸收亞層結(jié)構(gòu)；在氬氣真空環(huán)境中沖入濺射氣體氮?dú)?，以鋁靶和鈦硅合金靶為陰極，采用真空磁控濺射鍍膜技術(shù)， 反應(yīng)濺射沉積金屬一介質(zhì)復(fù)合材料薄膜；鋁靶與鈦硅合金靶同時(shí)濺射，反應(yīng)濺射生成 ALN+TiN+SiN+SiTiALN團(tuán)簇，通過調(diào)整鈦硅合金靶陰極的濺射功率，使得吸收亞層中的金屬含量沿著遠(yuǎn)離基材的方向減少，工作壓強(qiáng)在0. 20 0. 40 之間，每一個(gè)亞層之間金屬-介質(zhì)復(fù)合材料組分保持一致，鋁靶電流設(shè)置為固定電流，根據(jù)鍍膜機(jī)的配置電流在38A 48A 之間選擇，通過調(diào)整鈦硅合金靶電流和電壓沉積不同的金屬份額來達(dá)到相鄰亞層之間折射率失配的效果，這樣能使紅外輻射透過，但通過內(nèi)部吸收及相位補(bǔ)償干涉可使太陽輻射得以吸收，靠近基材的第一個(gè)高吸收亞層厚度在30 90nm，遠(yuǎn)離基材的低吸收亞層厚度在 20 60nm，其余為過渡亞層，整個(gè)吸收層的厚度在50 150nm ；(7)沉積減反射層在氬氣低真空氛圍中沖入氮?dú)夂脱鯕猓瑔愉X靶和鈦硅合金靶，沉積ALNO、SiALNO, SiTiNO復(fù)合材料作為減反射層；氮?dú)馀c氧氣流入量的比值低于3. 5，涂層厚度在30 IOOnm0
全文摘要
本發(fā)明涉及一種耐高溫的選擇性吸收涂層及制造方法，它易于實(shí)現(xiàn)且調(diào)控簡單，適用于中高溫度環(huán)境條件下的真空或者空氣中，涂層性能穩(wěn)定。它依次由粘結(jié)層、紅外高反射金屬層、擴(kuò)散阻擋層、吸收層、減反射層組成；其中所述吸收層由金屬一介質(zhì)復(fù)合材料薄膜構(gòu)成，所述金屬一介質(zhì)復(fù)合材料薄膜表由ALN+TiN+SiN+SiTiALN團(tuán)簇組成。
文檔編號C23C14/34GK102278833SQ20111012520
公開日2011年12月14日 申請日期2011年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月16日
發(fā)明者于洪文, 何曉倩, 安利娟, 張艷麗, 李春江, 馬兵 申請人:山東桑樂光熱設(shè)備有限公司