本發(fā)明涉及一種新型疊堆結(jié)構(gòu)光熱轉(zhuǎn)換涂層，該涂層可用于真空集熱管和平板集熱器，屬于太陽能光熱利用材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

太陽能選擇性吸收涂層能夠提高太陽能熱利用系統(tǒng)中集熱器的光熱轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)涂層的使用溫度范圍分為：低溫利用(≤100℃)、中溫利用(100～400℃)、高溫利用(≥400℃)。目前，太陽能的低溫利用較為廣泛，如太陽能熱水器等，而太陽能的中高溫利用較少。

作為太陽能選擇性吸收涂層，需要具有高的吸收率、低的發(fā)射率和高的熱穩(wěn)定性，對于高溫應(yīng)用涂層，涂層發(fā)射率和熱穩(wěn)定性更加重要，因為物質(zhì)的熱輻射與溫度(T)的4次方成正比，而涂層的熱穩(wěn)定性也決定了涂層服役溫度和壽命。目前，高溫應(yīng)用的涂層體系主要包括金屬-電介質(zhì)疊堆涂層和金屬陶瓷涂層，其中金屬-電介質(zhì)疊堆涂層具有發(fā)射率低、工藝簡單等優(yōu)勢而獲得廣泛的應(yīng)用。最先應(yīng)用的金屬-電介質(zhì)疊堆涂層是Schmidt和Park開發(fā)的Al₂O₃/Mo/Al₂O₃涂層，該涂層被稱為AMA結(jié)構(gòu)。基于AMA結(jié)構(gòu)，由不同金屬和電介質(zhì)構(gòu)成的金屬-電介質(zhì)涂層不斷被開發(fā)出來。金屬材料有Mo、W、Al、Hf、Ni等，電介質(zhì)材料有Al₂O₃、HfO₂、SiO₂、AlN等，但金屬-電介質(zhì)疊堆涂層在服役過程中，尤其在高溫條件下金屬的氧化和擴散等問題顯著。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對以上金屬-電介質(zhì)疊堆涂層中金屬氧化和擴散的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種新型疊堆結(jié)構(gòu)光熱轉(zhuǎn)換涂層，該涂層具有吸收率高，發(fā)射率低，抗氧化性能和耐高溫性能優(yōu)異，適用于槽式太陽能熱發(fā)電真空集熱管和平板集熱器。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種新型疊堆結(jié)構(gòu)光熱轉(zhuǎn)換涂層，自基底向外依次由金屬紅外反射層、阻擴散層、第一吸收層、電介質(zhì)層、第二吸收層、第一減反射層和第二減反射層構(gòu)成。

其中，所述金屬紅外反射層由W、Mo、Cu、Al、Ag和Ni中的一種構(gòu)成，該金屬紅外反射層的厚度為50-300nm。

所述阻擴散層由過渡金屬與Al或Si形成的氮化物或氮氧化物構(gòu)成。

所述第一吸收層和第二吸收層分別由過渡族金屬氮化物或氮氧化物中的一種 構(gòu)成，厚度為3-30nm。所述過渡金屬為Ti、Zr、Hf、Cr、Mo、W、V、Nb或Ta。

所述電介質(zhì)層由Si₃N₄、SiON、SiO₂、AlN、AlON和Al₂O₃中的一種構(gòu)成，其厚度為20-100nm。

所述第一層減反射層的折射率大于第二層減反射層的折射率，兩層減反射層的總厚度為50-100nm。所述第一減反射層和第二減反射層的組合為：Si₃N₄+SiON、Si₃N₄+SiO₂、Si₃N₄+AlON、Si₃N₄+Al₂O₃、SiON+SiO₂、SiON+AlON、SiON+Al₂O₃、AlN+AlON、AlN+Al₂O₃、AlN+SiON、AlN+SiO₂、AlON+SiON、AlON+Al₂O₃和AlON+SiO₂中的一種。

本發(fā)明的新型疊堆結(jié)構(gòu)光熱轉(zhuǎn)換涂層采用物理氣相沉積方法制備而成，通過調(diào)整靶材種類、濺射功率、氬氣-氮氣-氧氣流量和沉積時間控制各層的成分和厚度。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

本發(fā)明的新型疊堆結(jié)構(gòu)光熱轉(zhuǎn)換涂層采用雙層過渡族金屬氮化物或氮氧化物作為吸收層，并采用過渡金屬與Al或Si形成的氮化物或氮氧化物金屬陶瓷層作為紅外反射層與吸收層之間的擴散層；該涂層的吸收率α＝0.93～0.96，發(fā)射阻率ε≤0.05(82℃)，ε≤0.12(400℃)。

本發(fā)明的新型疊堆結(jié)構(gòu)光熱轉(zhuǎn)換涂層具有吸收率高，發(fā)射率低，抗氧化性能和耐高溫性能優(yōu)異，適用于槽式太陽能熱發(fā)電真空集熱管和平板集熱器。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的新型疊堆結(jié)構(gòu)光熱轉(zhuǎn)換涂層的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為實施例1制備的涂層的反射率曲線。

圖3為實施例2制備的涂層的反射率曲線。

圖4為實施例3制備的涂層的反射率曲線。

圖5為實施例4制備的涂層的反射率曲線。

圖6為實施例5制備的涂層的反射率曲線。

具體實施方式

以下通過具體實施例對本發(fā)明做進一步說明，但不用于限制本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明的新型疊堆結(jié)構(gòu)光熱轉(zhuǎn)換涂層自基底向外依次由金屬紅外反射層1、阻擴散層2、第一吸收層3、電介質(zhì)層4、第二吸收層5、第一減反射層6和第二減反射層7構(gòu)成。

本發(fā)明的新型疊堆結(jié)構(gòu)光熱轉(zhuǎn)換涂層采用物理氣相沉積方法制備而成，通過調(diào)整靶材種類、濺射功率、氬氣-氮氣-氧氣的流量和沉積時間來控制各層的成分和厚度，具體包括以下步驟：

(1)將基底材料超聲清洗烘干后放入真空室，表面再通過氬離子刻蝕清洗。

(2)按照涂層設(shè)計，沉積相應(yīng)的金屬紅外反射層。

(3)沉積阻擴散層，阻擴散層由過渡金屬(Ti、Zr、Hf、Cr、Mo、W、V、Nb、Ta)與Al或Si形成的氮化物或氮氧化物金屬陶瓷層構(gòu)成。

(4)沉積第一吸收層，該吸收層為過渡族金屬(Ti、Zr、Hf、Cr、Mo、W、V、Nb、Ta)氮化物或氮氧化物中的一種。

(5)沉積電介質(zhì)層，電介質(zhì)層為Si₃N₄、SiON、SiO₂、AlN、AlON和Al₂O₃中的一種。

(6)沉積第二吸收層，該吸收層為過渡族金屬(Ti、Zr、Hf、Cr、Mo、W、V、Nb、Ta)氮化物或氮氧化物中的一種。

(7)沉積雙減反射層，該雙減反射層為組合Si₃N₄+SiON、Si₃N₄+SiO₂、Si₃N₄+AlON、Si₃N₄+Al₂O₃、SiON+SiO₂、SiON+AlON、SiON+Al₂O₃、AlN+AlON、AlN+Al₂O₃、AlN+SiON、AlN+SiO₂、AlON+SiON、AlON+Al₂O₃和AlON+SiO₂中的一種。

實施例1

以Cu/ZrAlN/ZrN/AlN/ZrN/AlN/AiON涂層為例，鍍膜機中通入氬氣濺射銅靶沉積紅外反射層，厚度100nm。通氬氣和氮氣，分別采用鋯靶和鋁靶反應(yīng)濺射沉積阻擴散層ZrAlN，厚度為80nm。在氬氣和氮氣的氣氛中，采用鋯靶反應(yīng)濺射沉積第一吸收層ZrN，厚度25nm。在氬氣和氮氣的氣氛中，采用鋁靶反應(yīng)濺射沉積電介質(zhì)層AlN，厚度為50nm。在氬氣和氮氣的氣氛中，采用鋯靶反應(yīng)濺射沉積第二吸收層ZrN，厚度為30nm。在氬氣和氮氣的氣氛中，采用鋁靶反應(yīng)濺射沉積第一減反射層AlN，厚度為50nm。通氬氣、氮氣和氧氣，采用鋁靶反應(yīng)濺射沉積第二減反射層AlON，厚度為20nm。所制備的涂層的反射率曲線如圖2所示。

所制備涂層的吸收率α＝0.95，發(fā)射率為ε≤0.05(82℃)，ε≤0.10(400℃)。

實施例2

以Ni/TiSiN/TiN/Si₃N₄/TiN/Si₃N₄/SiO₂涂層為例，在鍍膜機中通入氬氣，氬離子轟擊鎳靶沉積金屬紅外反射層，厚度為100nm。通氬氣和氮氣，采用鈦靶和硅靶反應(yīng)濺射沉積阻擴散層TiSiN，厚度為50nm。在氬氣和氮氣的氣氛中，采用鈦靶反應(yīng)濺射沉積第一吸收層TiN，厚度為18nm。在氬氣和氮氣的氣氛中，采用硅靶反應(yīng)濺射沉積電介質(zhì)層Si₃N₄，厚度為40nm。在氬氣和氮氣的氣氛中，采用鈦靶反應(yīng)濺射沉積第二吸收層TiN，厚度為20nm。在氬氣和氮氣的氣氛中，采用硅靶反應(yīng)濺射沉積第一減反射層Si₃N₄，厚度為60nm。通氬氣和氧氣，采用硅靶反應(yīng)濺射沉積 第二減反射層SiO₂，厚度為30nm。所制備的涂層的反射率曲線如圖3所示。

所制備涂層的吸收率α＝0.94，發(fā)射率為ε≤0.06(82℃)，ε≤0.11(400℃)。

實施例3

以Mo/TiAiON/TiON/AlON/TiN/AlON/Al₂O₃涂層為例，在鍍膜機中通入氬氣，氬離子轟擊鉬靶沉積金屬紅外反射層，厚度為80nm。通氬氣、氮氣和氧氣，采用鈦靶和鋁靶反應(yīng)濺射沉積阻擴散層TiAlON，厚度為70nm。在氬氣、氮氣和氧氣的氣氛中，采用鈦靶反應(yīng)濺射沉積第一吸收層TiON，厚度為20nm。在氬氣、氮氣和氧氣的氣氛中，采用鋁靶反應(yīng)濺射沉積電介質(zhì)層AlON，厚度為40nm。在氬氣和氮氣的氣氛中，采用鈦靶反應(yīng)濺射沉積第二吸收層TiN，厚度為30nm。在氬氣、氮氣和氧氣的氣氛中，采用鋁靶反應(yīng)濺射沉積第一減反射層AlON，厚度為45nm。通氬氣和氧氣，采用鋁靶反應(yīng)濺射沉積第二減反射層Al₂O₃，厚度為30nm。所制備的涂層的反射率曲線如圖4所示。

所制備涂層的吸收率α＝0.94，發(fā)射率為ε≤0.06(82℃)，ε≤0.12(400℃)。

實施例4

以W/WSiON/WON/SiON/WON/SiON/SiO₂涂層為例，在鍍膜機中通入氬氣，氬離子轟擊鎢靶沉積金屬紅外反射層，厚度為110nm。通氬氣、氮氣和氧氣，采用鎢靶和硅靶反應(yīng)濺射沉積阻擴散層WSiON，厚度為60nm。在氬氣、氮氣和氧氣的氣氛中，采用鎢靶反應(yīng)濺射沉積第一吸收層WON，厚度為15nm。在氬氣、氮氣和氧氣的氣氛中，采用硅靶反應(yīng)濺射沉積電介質(zhì)層SiON，厚度為60nm。在氬氣、氮氣和氧氣的氣氛中，采用鎢靶反應(yīng)沉積第二吸收層WON，厚度為25nm。在氬氣、氮氣和氧氣的氣氛中，采用硅靶反應(yīng)濺射沉積第一減反射層SiON，厚度為60nm。通氬氣和氧氣，采用硅靶反應(yīng)濺射沉積第二減反射層SiO₂，厚度為30nm。所制得的涂層反射率曲線如圖5所示。

所制備涂層的吸收率α＝0.94，發(fā)射率為ε≤0.06(82℃)，ε≤0.12(400℃)。

實施例5

以Mo/NbAlON/NbON/Al₂O₃/NbON/AlON/Al₂O₃涂層為例，在鍍膜機中通入氬氣，氬離子轟擊鉬靶沉積金屬紅外反射層，厚度為100nm。通氬氣、氮氣和氧氣，采用鈮靶和鋁靶反應(yīng)濺射沉積阻擴散層NbAlON，厚度為50nm。在氬氣、氮氣和氧氣的氣氛中，采用鈮靶反應(yīng)濺射沉積NbON，厚度為18nm。在氬氣和氧氣的氣氛中，采用鋁靶反應(yīng)濺射沉積Al₂O₃，厚度為40nm。在氬氣、氮氣和氧氣的氣氛中，采用鈮靶反應(yīng)沉積NbON，厚度為20nm。在氬氣、氮氣和氧氣的氣氛中，采用鋁靶反應(yīng)濺射沉積AlON，厚度為50nm。通氬氣和氧氣，采用鋁靶反應(yīng)濺射沉積Al₂O₃， 厚度為35nm。所制備的涂層的反射率曲線如圖6所示。

所制備涂層的吸收率α＝0.94，發(fā)射率為ε≤0.06(82℃)，ε≤0.12(400℃)。