制備太陽能選擇性吸收涂層的新工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種制備太陽能選擇性吸收涂層的新工藝，該工藝?yán)迷现幸环N或幾種組分熔點(diǎn)較低的特點(diǎn)，通過加熱使低熔點(diǎn)組分熔化，將其它組分溶解或融入，并與金屬基體材料發(fā)生冶金反應(yīng)。凝固后得到與金屬基體材料結(jié)合牢固的目標(biāo)涂層。這種工藝可以用來制備含有Al、Zn等低熔點(diǎn)材料的太陽能選擇性吸收涂層，如CrAlO、MoAlO、WAlO等涂層。這種工藝具有操作簡單，與基材結(jié)合牢固，制成涂層抗熱沖擊性能優(yōu)等優(yōu)點(diǎn)。此外，該工藝還可用于制備減反層。
【專利說明】制備太陽能選擇性吸收涂層的新工藝

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及涂層制備【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及制備應(yīng)用于非真空條件下的中高溫太 陽能選擇性吸收涂層，具體是一種制備太陽能選擇性吸收涂層的新工藝。

【背景技術(shù)】
[0002] 能源危機(jī)是目前人類生存所面臨的嚴(yán)重危機(jī)之一。與眾多化石能源相比，太陽能 可以近似看作一種取之不盡用之不竭的清潔能源。太陽能源于太陽內(nèi)部的熱核反應(yīng)，氫便 是反應(yīng)材料，由于在太陽內(nèi)部深處的極高溫度和上面各層存在的巨大壓力，發(fā)生了氫變?yōu)?氦的熱核聚變反應(yīng)，反應(yīng)過程中虧損的質(zhì)量便轉(zhuǎn)化成了能量向空間輻射。而人類所使用的 化石燃料，其能量從根本上講也來自太陽能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，與目前人類所能開發(fā)的核能、地?zé)岬?能量相比，地球所截取的太陽輻射能總量較其總儲量大5000多倍。而地球每年接受的太陽 能總量則是已探明原油儲量的近千倍，是世界年耗總能量的一萬余倍。因而太陽能應(yīng)用是 一個(gè)很有潛力的研究。
[0003] 但是，在利用集熱器吸收太陽能時(shí)，入射太陽光的能量在集熱器表面會有反射損 失、傳導(dǎo)和對流損失、輻射損失。剩余部分才是能為傳熱媒質(zhì)帶走而得到利用的有效部分。 因此，為了最大限度地利用入射太陽光的能量，就必須盡量抑制這些熱損失。對于傳導(dǎo)和對 流損失，可以通過在吸熱面表面加蓋透明蓋板，使用透明隔熱材料或使用真空管集熱器等 方法來降低這方面的熱損失。對于抑制表面的反射損失和輻射損失，則是利用光譜選擇性 吸收涂層來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)輻射的能量投射到物體表面時(shí)，同時(shí)會發(fā)生吸收、反射和透射現(xiàn)象。對 同一波長的光波而言，材料的吸收率和發(fā)射率相等，即吸收率高則相應(yīng)地發(fā)射率也高。但 吸收率α與反射率r及透射率t會遵從如卜關(guān)系a+r+t=l。對于不透明材料而言，由于 t=0,則a+r=l。而對于黑色物體來說，r^O,則α ~1。將這一要求指標(biāo)化，就是需要 高的吸收率（a )和低的發(fā)射率（ε )。根據(jù)以上討論，可知在表面上制備太陽能選擇性吸 收涂層是一個(gè)理想的方法。然而，太陽能的分布并不均勻，其光輻射能量主要分布在波長 λ為0.3μπΓ2.5μπι的光譜區(qū)內(nèi)，也就是說太陽輻射能主要分布在可見光和近紅外區(qū)。而 物體受熱發(fā)生黑體輻射的能量主要分布在波長為2 -100 μ m的光譜區(qū)中，也就是主要在 遠(yuǎn)紅外區(qū)。因此，最有效的太陽能選擇性吸收涂層是在太陽光譜范圍內(nèi)，即λ〈2.5μπι，有 a ~ 1 (即r ~ 0);而在λ >2. 5 μ m，即熱福射波長范圍內(nèi)，有ε ~〇(即r^l或a ~〇) 。但在實(shí)際制備涂層時(shí)，當(dāng)a達(dá)到某一數(shù)值后，要想進(jìn)一步增大α，ε也會隨之增大。而 且，有時(shí)ε增加的值大于a增加的值，故研究中經(jīng)常應(yīng)用a與ε的比值（α/ε)來表征 涂層選擇性的高低。在太陽能選擇性吸收涂層的實(shí)際應(yīng)用中，還要考慮環(huán)境因素對其性能 的影響，例如溫度、濕度、酸堿度等因素都可能使涂層的性能受影響。
[0004] 太陽能選擇性吸收涂層的研究始于上個(gè)世紀(jì)中葉。之前，太陽能集熱器一直使用 黑板漆和無光黑漆作為吸收涂層，這種涂層沒有選擇性。直到1954年，在第一次世界太陽 能大會上以色列專家泰勒和美國專家吉爾頓柯爾論證了制作高吸收率和低發(fā)射率的選擇 性涂層表面的可能性，并且分別提出黑鎳和黑鉻兩種表面涂層。之后，澳大利亞、以色列、德 國、日本等國都投入巨資進(jìn)行相關(guān)研究，開發(fā)出一系列的選擇性吸收涂層。其中，澳大利亞 悉尼大學(xué)研究出涂層的3層結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是一種經(jīng)典結(jié)構(gòu)，已被普遍采用。這種結(jié)構(gòu)里層是 亮金屬反射層，中間是太陽能吸收層，外層是減反射層。日本科學(xué)家設(shè)計(jì)出了在鋁做基板， 上面覆蓋有機(jī)樹脂的涂層。Pathkar則在玻璃襯底上沉積黑鈷。Reis提出在鈷基體上涂覆 黑鎳、電鍍黑鎳等涂層。Kalleder采用溶膠一凝膠法從一種可水解、可縮聚的化合物中制取 含碳母體用作涂層材料。
[0005] 從上個(gè)世紀(jì)70年代末，我國逐漸開展太陽能利用方面的研究。清華大學(xué)、北京市 太陽能研究所、遼寧省能源研究所、中國科學(xué)院上海硅酸所、北京有色金屬研究總院等單位 和一些太陽能企業(yè)開始研究開發(fā)選擇性吸收涂層，先后研制出硫化鉛/浙青漆涂層、黑鉻 涂層、黑鈷涂層、鋁氮氧漸變型選擇性吸收涂層。
[0006] 之后，清華大學(xué)在氬氣中采用磁控濺射工藝制備出Al-N、Al-N-O涂層；上海硅酸 鹽研究所提出以有機(jī)材料、玻璃及金屬為基板的黑鋁涂層；李守祥研制了采用〇、N共同 參與的鋁陰極反應(yīng)的涂層；沈陽臺陽太陽能公司研制并應(yīng)用了表層為鋁一氮膜，吸收層為 鋁一碳膜的涂層；張?jiān)粕教岢隽擞晌鼰岵牧虾驼辰Y(jié)劑組成的涂料型涂層；青島建工學(xué)院發(fā) 明了一種由吸光劑、粘結(jié)劑、溶劑和助劑組成的涂層；李先航提出了金屬陶瓷型涂層。
[0007] 目前世界上一般用316L不銹鋼管作為選擇性吸收涂層的基底材料。采用澳大利 亞悉尼大學(xué)提出的3層結(jié)構(gòu)涂層。位于薄膜最底層(緊鄰基底材料）的是紅外反射層，目前 這一層所用的材料主要包括Al、Cr、Cu、Au、Ni、Ti、Ag、Mo、W等，可以滿足較高的紅外反射 率(低的發(fā)射率)，高溫下具有較高的抗氧化和抗擴(kuò)散能力，同時(shí)與基底材料具有良好的結(jié) 合力的要求。中間層是吸收層，如金屬陶瓷等，在太陽光譜〇. 3 μ πΓ2. 5 μ m波段具有較低反 射率(高的吸收率)，而在高于2. 5 μ m的紅外波段具有高的反射率(低的發(fā)射率)。最上面的 是減反射層，最常用的是單層SiO2或Al2O 3薄膜。它位于涂層結(jié)構(gòu)的最外層，緊鄰空氣，主 要作用是降低太陽能光譜的反射率，從而實(shí)現(xiàn)最大限度的太陽能吸收率。瑞典科學(xué)家用溶 膠凝膠法制備SiO 2減反層，使涂層的吸收率從0. 79、. 81提高到0. 93,發(fā)射率為0. 03。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是為了提供一種新型的制備可應(yīng)用于非真空條件下中高溫太陽能 選擇性吸收涂層的工藝技術(shù)。
[0009] 本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的： 一種制備太陽能選擇性吸收涂層的新工藝，包括如下步驟：1)準(zhǔn)備原材料，原材料包括 低熔點(diǎn)金屬組分和其它組分，并且低熔點(diǎn)金屬組分和其它組分都為納米級粉體狀；2)將低 熔點(diǎn)金屬組分和其它組分混合均勻，之后加入少許中性粘合劑制成膏體；3)將膏體均勻涂 覆到金屬基體材料上，加熱金屬基體材料，使有機(jī)物充分揮發(fā)，當(dāng)加熱溫度超過低熔點(diǎn)金屬 組分熔點(diǎn)15_20°C時(shí)，保溫，使低熔點(diǎn)金屬組分充分熔化，從而將其它組分溶解或融入；同 時(shí)，熔化的低熔點(diǎn)金屬組分與金屬基體材料發(fā)生冶金反應(yīng)，形成一層過渡層并與金屬基體 材料緊密結(jié)合；4)反應(yīng)完成后，以較慢的速度進(jìn)行冷卻，使金屬基體材料表面形成致密氧化 物薄膜，當(dāng)冷卻至室溫時(shí)，即得到目標(biāo)涂層。
[0010] 本發(fā)明工藝?yán)猛繉映煞种械牡腿埸c(diǎn)金屬組分熔化形成熔池，從而將其它組分溶 解或融入，并通過與金屬基體材料發(fā)生冶金反應(yīng)，形成涂層與基體材料的緊密結(jié)合。
[0011] 具體實(shí)施時(shí)，原材料中低熔點(diǎn)金屬組分和其它組分的質(zhì)量比為3:1-1:3;中性粘 合劑的加入量以將各種組分與金屬基體材料粘接為宜，但中性粘合劑的加入質(zhì)量不得超過 原材料總體質(zhì)量的3%。
[0012] 所述的低熔點(diǎn)金屬組分為Al、Zn、Sn,所述的其它組分為Mo、W、V、Ti、Ni、Cr、WC、 Co，所述的中性粘合劑為凡士林、松香。
[0013] 本發(fā)明可制備含有Al、Zn、Sn等低熔點(diǎn)金屬材料的太陽能選擇性吸收涂層，如 CrA10、M〇A10、WA10等涂層。本發(fā)明工藝具有操作簡單，與基材結(jié)合牢固等優(yōu)點(diǎn)。通過本 發(fā)明工藝制備的涂層可在大氣環(huán)境中使用，且具有較強(qiáng)的耐熱沖擊性能和較好的抗腐蝕性 能。此外，本發(fā)明工藝還可用于在其他涂層表面制備減反層。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明工藝制備得到的太陽能選擇性吸收涂層的斷面示意圖。
[0015] 圖中：1_金屬基體材料、2-過渡層、3-目標(biāo)涂層。

【具體實(shí)施方式】
[0016] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步地描述： 如圖1所示，一種制備太陽能選擇性吸收涂層的新工藝，包括如下步驟：1)準(zhǔn)備原材 料，原材料包括低熔點(diǎn)金屬組分和其它組分，并且低熔點(diǎn)金屬組分和其它組分都為納米級 粉體狀；2)將低熔點(diǎn)金屬組分和其它組分混合均勻，之后加入中性粘合劑制成膏體；3)將 膏體均勻涂覆到金屬基體材料1上，加熱金屬基體材料1，當(dāng)加熱溫度超過低熔點(diǎn)金屬組分 熔點(diǎn)15-20°C時(shí)，保溫，使低熔點(diǎn)金屬組分充分熔化，從而將其它組分溶解或融入；同時(shí)，熔 化的低熔點(diǎn)金屬組分與金屬基體材料1發(fā)生冶金反應(yīng)，形成一層過渡層2并與金屬基體材 料1緊密結(jié)合；4)反應(yīng)完成后，進(jìn)行冷卻，使金屬基體材料1表面形成致密氧化物薄膜，當(dāng) 冷卻至室溫時(shí)，即得到目標(biāo)涂層3。
[0017] 具體實(shí)施時(shí)，原材料中低熔點(diǎn)金屬組分和其它組分的質(zhì)量比為3:1-1:3 ;中性粘 合劑的加入量以將各種組分與金屬基體材料粘接為宜，但中性粘合劑的加入質(zhì)量不得超過 原材料總體質(zhì)量的3%。所述的低熔點(diǎn)金屬組分為Al、Zn、Sn,所述的其它組分為Mo、W、V、 Ti、Ni、Cr、WC、Co,所述的中性粘合劑為凡士林、松香。
[0018] 為更好地理解本發(fā)明，下面再結(jié)合一個(gè)具體的實(shí)施例1對本發(fā)明工藝做進(jìn)一步地 闡述。但本發(fā)明所要求保護(hù)的技術(shù)方案并不僅僅局限于下面的實(shí)施例。
[0019] 實(shí)施例1 利用本發(fā)明工藝制備CrAlO中高溫太陽能選擇性吸收涂層： 該涂層具有如圖1所示的結(jié)構(gòu)：金屬基體材料1、過渡層2和目標(biāo)涂層3-即CrAlO中 高溫太陽能選擇性吸收涂層。其中Cr與Al的物質(zhì)的量比為1:1。
[0020] 金屬基體材料1選擇301不銹鋼。
[0021] 將微米級Cr粉和Al粉按物質(zhì)的量比1:1混合均勻，加入少許中性粘結(jié)劑制成膏 體。
[0022] 將CrAl膏體涂抹在金屬基體材料1上，緩慢加熱金屬基體材料1到680°C，在 680°C下保溫6小時(shí)，之后緩慢冷卻至室溫，最后即可得到目標(biāo)涂層--CrAlO中高溫太陽 能選擇性吸收涂層3。
[0023] 制得的CrAlO中高溫太陽能選擇性吸收涂層3的測試結(jié)果如表1所示： 表1

【權(quán)利要求】
1. 一種制備太陽能選擇性吸收涂層的新工藝，其特征在于，包括如下步驟：1)準(zhǔn)備原 材料，原材料包括低熔點(diǎn)金屬組分和其它組分，并且低熔點(diǎn)金屬組分和其它組分都為納米 級粉體狀；2)將低熔點(diǎn)金屬組分和其它組分混合均勻，之后加入中性粘合劑制成膏體；3) 將膏體均勻涂覆到金屬基體材料（1)上，加熱金屬基體材料（1)，當(dāng)加熱溫度超過低熔點(diǎn)金 屬組分熔點(diǎn)15-20°C時(shí)，保溫，使低熔點(diǎn)金屬組分充分熔化，從而將其它組分溶解或融入； 同時(shí)，熔化的低熔點(diǎn)金屬組分與金屬基體材料（1)發(fā)生冶金反應(yīng)，形成一層過渡層（2)并與 金屬基體材料（1)緊密結(jié)合；4)反應(yīng)完成后，進(jìn)行冷卻，使金屬基體材料（1)表面形成致密 氧化物薄膜，當(dāng)冷卻至室溫時(shí)，即得到目標(biāo)涂層（3)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備太陽能選擇性吸收涂層的新工藝，其特征在于：原材料 中低熔點(diǎn)金屬組分和其它組分的質(zhì)量比為3:1-1:3 ;中性粘合劑的加入量以將各種組分與 金屬基體材料（1)粘接為宜，但中性粘合劑的加入質(zhì)量不得超過原材料總體質(zhì)量的3%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備太陽能選擇性吸收涂層的新工藝，其特征在于：所述的 低熔點(diǎn)金屬組分為Al、Zn、Sn，所述的其它組分為Mo、W、V、Ti、Ni、Cr、WC、Co,所述的中性粘 合劑為凡士林、松香。
【文檔編號】C23C24/10GK104294270SQ201410550725
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月16日
【發(fā)明者】宮殿清, 程旭東, 閔捷, 張樸, 羅干 申請人:太原理工大學(xué)