一種太陽光譜選擇性吸收涂層及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太陽光譜選擇性吸收涂層(吸熱涂層)及其制備方法，可應用于平板集熱器中，也可用于太陽能工業(yè)加熱、太陽能空調和太陽能海水淡化系統(tǒng)中，屬于太陽能光熱利用技術領域。
【背景技術】
[0002]太陽光譜選擇性吸收涂層(吸熱涂層)是一種特殊的表面，其特點是在太陽光譜范圍(0.3-2.5μπι)具有較高的吸收率α，在紅外區(qū)域(2.5-25 μm)有很低的發(fā)射率ε，它把低能量密度的太陽能轉換成高能量密度的熱能，把太陽能富集起來，提高太陽能光熱轉換效率，是太陽能平板集熱器的核心材料。對吸收涂層研究的主要的目的是要提高太陽能光熱轉化效率，即在提高集熱器對太陽輻射的吸收率α的同時在其工作溫度下集熱器表面具有較低發(fā)射率ε。同時平板集熱器的工作環(huán)境決定了吸收涂層還應具備光學性能長期穩(wěn)定、耐候性強、形成涂層工藝簡單和對環(huán)境無污染等特點。
[0003]平板集熱器涂層材料的應用經歷了非選擇性的普通黑漆、選擇性的硫化鉛、金屬氧化物涂料、黑鎳、黑鉻、鋁陽極化涂層、真空鍍膜涂層等階段，這些涂層各有優(yōu)缺點。
[0004]涂料涂層采用涂漆法制作工藝，它是將具有光選擇性吸收的粉體作為色素(S1、Ge、PbS和一些過渡金屬復合氧化物)與粘結劑(烯基材料和有機硅等)混合制成涂料，然后通過噴涂、浸沾、涂刷等方法將涂料涂在集熱基板上，涂層一般都在數(shù)微米以上。涂層的吸收率在0.87-0.92之間，發(fā)射率在0.3-0.6之間，使用該類型涂層的集熱器熱效率較低。另外，由于粘結劑在高溫下可能熱解，其附著性較差，易發(fā)生剝落，降低吸熱性能，造成采用涂料涂層的集熱器的使用壽命較短。
[0005]陽極氧化涂層是對金屬襯底進行陽極氧化處理，制備具有梯度分布的多孔表面，然后通過在孔洞中摻入金屬來獲得高的太陽能吸收率，與襯底的低紅外發(fā)射特性配合在一起可以獲得選擇性吸收效果。鋁陽極氧化涂層是最成熟的陽極氧化工藝。制備的基本過程是將鋁片(或銅鋁復合板芯)在稀磷酸溶液中陽極氧化，在鋁表面形成多孔氧化膜，然后在硫酸鎳或硫酸亞錫溶液中交流電解，鎳錫離子還原沉積于氧化的孔隙中，形成具有光譜選擇的表面，其吸收率一般在0.89-0.91之間，而發(fā)射率一般在0.13-0.15之間。
[0006]黑鉻涂層是采用電鍍方法在太陽能集熱板上制備黑鉻選擇性電鍍層，普通黑鉻涂層類集熱板的吸收率在0.93-0.97，發(fā)射率在0.07-0.14之間。采用電鍍黑鉻工藝需要先在鍍件上打底層，如鍍覆銅、鎳層來增加附著力，然后才能鍍黑鉻，對工藝要求較高。
[0007]真空蒸發(fā)、濺射鍍膜和離子鍍等是基本的薄膜制作技術之一。它們均要求沉積薄膜的空間要有一定的真空度。磁控濺射與真空蒸發(fā)相比，其真空設備比較簡單，工藝控制更為方便，容易在大面積上獲得均勻一致的選擇性吸收涂層。磁控濺射技術因控制膜組成、厚度比較容易，所以經常與光學設計結合以制備高性能選擇性吸收涂層。常見的膜系主要包括AlN-Al膜系(CN8510042)、(氮)氧化鎳鉻+保護層、氮氧化鈦+保護層、鈦鋁氮(氧)+保護層等。其中AlN-Al采用傳統(tǒng)的玻璃真空管成膜技術，膜系成熟，吸收率> 92%，發(fā)射率<5%，但熱老化實驗和鹽霧試驗結果都不理想。(氮)氧化鎳鉻加保護層吸收率優(yōu)于93%，有保護涂層，耐候性好，但發(fā)射率高于10%。采用氮氧化鈦膜系加保護層的吸收涂層吸收率高于93 %左右，發(fā)射率在4-5 %。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種新型的太陽光譜選擇性吸收涂層，該吸收涂層具有光學性能優(yōu)良、耐高溫能力強、耐候性良好等特點。
[0009]本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述太陽光譜選擇性吸收涂層的制備方法，該方法易于實現(xiàn)且調控簡單，適用于平板集熱器在我國的應用現(xiàn)狀。
[0010]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案:
[0011]—種新型的太陽光譜選擇性吸收涂層，從基底向外，依次為金屬紅外高反射層、吸收層、減反射層和保護層，其中吸收層由過渡金屬氮氧化物MoxAl1 ,OyN1 ,或WxAl1 ,OyN1 ,構成，其中，X = 0.1-0.9，y = 0.1-0.9。
[0012]本發(fā)明中，所述基底的材質為不銹鋼、Cu或Al。
[0013]本發(fā)明中，所述金屬紅外高反射層為純金屬W、Mo、Al、Cu、Au、Ag、Pt、N1、Cr中的任意一種，厚度為30_500nm。
[0014]本發(fā)明中，所述吸收層為成分漸變的多亞層結構，厚度為30-300nm。
[0015]本發(fā)明中，所述減反射層為Al的氮化物、氧化物或氮氧化物，包括A1N、Al2O3和A10N，或者上述薄膜的組合；采用直流或中頻磁控濺射的制備方法，厚度為10-300nm。
[0016]本發(fā)明中，所述保護層為Si的氮化物、氧化物或氮氧化物，包括Si3N4、S1jPS1N，或者上述薄膜的組合；采用直流或中頻磁控濺射的制備方法，厚度為10-300nm。
[0017]—種所述太陽光譜選擇性吸收涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0018](I)采用直流磁控濺射法在基底表面制備金屬紅外高反射層；
[0019](2)采用Mo或W和Al純金屬靶，或者采用固定成分的MoAl或WAl靶，氬氣、氮氣和氧氣氣氛下共濺射形成吸收層；
[0020](3)選擇Al靶，采用直流或中頻磁控濺射法制備減反射層；
[0021](4)選擇Si靶，采用直流或中頻磁控濺射法制備保護層。
[0022]在所述制備方法中，針對不同的膜層材料可以通過調整濺射功率、高純Ar、高純N2和高純O2的流量以及沉積時間來控制各膜層厚度和成分。
[0023]本發(fā)明的原理是:通過控制MoxAl1 ,OyN1 ￥或ff ,Al1 ,OyN1 y涂層的成分，形成成分漸變的MoxAl1 ,OyN1 ,或WxAl1 ,OyN1 y涂層，得到表層至基底折射率逐漸增加的涂層結構，在多層膜干涉吸收和MoxAl1 ,OyN1 ,或WxAl1 ,OyN1 y涂層的本征吸收雙重作用下，得到了性能優(yōu)良的太陽光譜選擇性吸收涂層。另外，在表層形成了致密的保護層，阻塞了鹽霧環(huán)境中的氯離子(Cl )進入涂層內部的通道，延緩了涂層在鹽霧環(huán)境中的腐蝕，提高了涂層的耐腐蝕性能，得到了光學性能優(yōu)良、耐腐蝕性能強的吸熱涂層。
[0024]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0025]本發(fā)明的吸收涂層具有光學性能優(yōu)良、耐高溫能力強、耐候性良好等特點，其吸收率α可達0.94-0.96，發(fā)射率ε彡0.05 (82 °C )，耐溫溫度達到300°C，按照國標GB/T6424-1997進行鹽霧試驗，96h后涂層性能衰減小于2%，滿足太陽能平板集熱器的使用要求。
[0026]本發(fā)明的吸收涂層在制備工藝方面易于實現(xiàn)且調控簡單，適用于平板集熱器在我國的應用現(xiàn)狀。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明的太陽光譜選擇性吸收涂層結構的剖面示意圖。
【具體實施方式】
[0028]下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0029]本發(fā)明提供一種具有過渡金屬氮氧化物作為吸收層結構的吸熱涂層，如圖1所示，該涂層包括4層膜，從基底向外，依次為金屬紅外高反射層1、吸收層2、減反射層3、保護層4，其中吸收層2具有多層漸變的涂層結構。
[0030]金屬紅外高反射層由W、Mo、Al、Cu、Au、Ag、Pt、N1、Cr中的任意一種組成，位于粘結層上部，金屬紅外高反射層的厚度為30-500nm。吸收層由MoxAl1 ^yN1 ^WxAl1 ^1yN1』勾成，其中，x = 0.1-0.9，y = 0.1-0.9。該吸收層可以采用Mo或W和Al純金屬革巴，在氬氣、氮氣和氧氣氣氛下共濺射而成，也可采用固定成分的MoAl或WAl靶，在氬氣、氮氣和氧氣氣氛下濺射而成，吸收層的厚度為30-300nm。減反射層主要是Al的氮化物、氧化物或氮氧化物，包括A1N、A1203和A10N，或者上述薄膜的組合。該減反射層所采用的靶材為Al靶，采用直流或中頻磁控濺射的制備方法，減反射層的厚度為10-300nm。保護層主要是Si的氮化物、氧化物或氮氧化物，包括Si3N4、S1jP S1N，或者上述薄膜的組合。該保護層所采用的靶材為Si靶，采用直流或中頻磁控濺射的制備方法，厚度為10-300nm。
[0031]實施例1
[0032]以McVMoxAl1 ,OyN1 y/A10N/Si0N光譜選擇性吸收涂層為例，其制備步驟如下:
[0033]步驟一:制備金屬紅外高反射層；采用金屬Mo靶(純度為99.99% )直流磁控濺射方法，將真空室預抽真空至1.0X 10 3pa，通入純度為99.999%的Ar作為濺射氣體，流量為180sccm，調節(jié)濺射氣壓為4.5 X 10 pa0開啟Mo靶，功率為20KW，濺射lOmin，制備10nm的Mo膜。
[0034]步驟二:制備吸收層；選用純度為99.99%的Mo靶和純度為99.99%的Al靶，通入純度為99.999%的Ar作為濺射氣體，固定Ar流量為180sccm，通入純度為99.999%的N2作為反應氣體，固定流量為lOOsccm，