CN101806508A - 一种高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，涂层从底层到表面依次为红外反射层、吸收层、减反射层，第一层红外反射层由Ti膜、Al膜或者TiAl合金膜之中的任何一种组成，厚度在50～250nm；第二层吸收层包括两个亚层结构，均为TiAlCN+TiAl膜，厚度均为50～100nm，第一亚层TiAl的体积百分比大于第二亚层TiAl的体积百分比；第三层减反射层由TiO₂膜或者Al₂O₃膜中任何一种组成，厚度均为20～60nm。采用纯金属靶中频磁控溅射方法在基体表面制备红外发射层，采用金属Ti靶和Al靶中频磁控溅射方法在第一层上制备第二层吸收层，采用金属靶中频磁控溅射方法在第二层上制备第三层减。

Description

一种高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能利用技术领域，具体涉及一种高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。

背景技术

太阳光谱选择性吸收涂层在可见-近红外波段具有高吸收率，在红外波段具有低发射率的功能薄膜，是用于太阳能集热器，提高光热转换效率的关键。随着太阳能热利用需求和技术的不断发展，太阳能集热管的应用范围从低温应用(≤100℃)向中温应用(100℃-350℃)和高温应用(350℃-500℃)发展，以不断满足海水淡化、太阳能发电等中高温应用领域的使用要求。对于集热管使用的选择性吸收涂层也要具备高温热稳定性，适应中高温环境的服役条件。

对于太阳能选择性吸收涂层目前已研究和广泛使用了黑铬、阳极氧化着色Ni-Al2O3以及具有成分渐变特征的SS-C/SS(不锈钢)和Al-N/Al等膜系，应用于温度在200℃以内的平板型集热装置的集热管表面。但在中高温条件下，由于其红外发射率随温度上升明显升高，导致集热器热损失明显上升，热效率显著下降。

为了提高中高温服役条件下选择性吸收涂层的热稳定性，Mo-Al2O3/Cu、SS-AlN/SS等材料体系得到了研究和发展，采用了双靶或多靶金属陶瓷共溅射技术，其中Mo-Al2O3/Cu体系的特点是Mo-Al2O3吸收层具有成分渐变的多亚层结构，Al2O3层采用射频溅射方法，SS-AlN/SS体系的特点是吸收层采用了干涉膜结构，使热稳定性提高。上述涂层在使用温度350℃-500℃范围内的聚焦型中高温集热管表面获得了应用。但是双靶或多靶共溅射、射频溅射等工艺沉积速率低，生产周期长，工艺复杂，成本高。

对于太阳能的中高温利用，需要一种吸收率高、发射率低、热稳定性好，而且工艺简便的选择性吸收涂层及制备技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，适用于高温(300℃-500℃)工作温度集热管，涂层吸收率高、发射率低、热稳定性好，制备工艺简便，操作方便，生产周期短，溅射工况稳定。

一种高温太阳能选择性吸收涂层，包括三层膜，从底层到表面依次为红外反射层、吸收层和减反射层；

第一层红外反射层由Ti膜、Al膜或者TiAl合金膜之中的任何一种组成，厚度在50～250nm；第二层吸收层包括两个亚层结构，两个亚层均为TiAlCN+TiAl膜，第一亚层和第二亚层的厚度均为50～100nm，第一亚层TiAl的体积百分比大于第二亚层TiAl的体积百分比；第三层减反射层由TiO₂膜或者Al₂O₃膜中任何一种组成，厚度均为20～60nm。

一种高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括以下几个步骤：

步骤一：在基体上制备第一层红外发射层；

采用纯金属靶中频磁控溅射方法制备在基体表面，纯金属靶为Ti靶或Al靶，以Ar气作为溅射气体制备Ti膜、Al膜或者TiAl合金膜，红外发射层厚度在50～250nm；

步骤二：在第一层涂层上制备第二层吸收层；

采用金属Ti靶和Al靶中频磁控溅射方法，通入Ar、N₂和C₂H₂的混合气体，Ar的流量为100～140sccm，N₂的流量为30～60sccm，C₂H₂的流量为5～8sccm，在红外反射层上制备第一亚层TiAlCN+TiAl膜，厚度为50～100nm；

增加N₂的流量为40～70sccm，继续制备第二亚层TiAlCN+TiAl膜，厚度为50～100nm；

步骤三：在第二层上制备第三层减反射层；

第三层减反射层由TiO₂或者Al₂O₃膜构成；

当由TiO₂膜构成时：采用Ti靶中频溅射方法，以Ar气作为溅射气体，通入O₂作为反应气体制备，调节Ar与O₂流量比为1.5∶1～2∶1，制备厚度为20～60nm的TiO₂膜；

当由Al₂O₃膜构成时：采用Al靶中频磁控溅射方法，通入惰性气体Ar作为溅射气体，制备厚度为20～60nm的Al₂O₃膜。

本发明的优点在于：

本发明所提供的选择性吸收涂层由金属红外反射层、TiAlCN+TiAl以及TiO₂的混合物组成的双干涉吸收层和陶瓷减反射层组成，具有可见-红外光谱高吸收率，红外光谱低发射率的特点，并且由于采用高熔点的金属Ti以及Ti\Al的氮碳化物，具有良好的中高温热稳定性。该涂层制备工艺简便、操作方便、易于控制、缩短生产周期，与选择性吸收涂层由Nb红外反射层、Nb与Al₂O₃的混合物组成的双干涉吸收层和Al₂O₃减反射层相比较，本涂层选择的原材料Ti\Al是常规材料，应用范围比较广，成型性能好，可以加工成柱状靶材，显著提高靶材利用率，同时价格也比较低廉，可以进一步降低工作成本。适用于中高温工作温度的太阳能集热管。

附图说明

图1为选择性吸收涂层剖面示意图。

图中：

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种太阳选择性吸收涂层，结合剖面如图1所示，涂层包括三层膜，从底层到表面依次为红外反射层、吸收层和减反射层；

第一层红外反射层由Ti膜、Al膜或者TiAl合金膜之中的任何一种组成，厚度在50～250nm；第二层吸收层包括两个亚层结构，两个亚层均为TiAlCN+TiAl膜，第一亚层和第二亚层的厚度均为50～100nm，第一亚层TiAl的体积百分比比第二亚层TiAl的体积百分比大10％，第一亚层TiAl的体积百分比为20～40％，第二亚层TiAl的体积百分比为10～30％；第三层减反射层为TiO₂膜或者Al₂O₃膜，任选其一厚度均为20～60nm。

一种太阳选择性吸收涂层的制备方法，包括以下几个步骤：

步骤一：在基体上制备第一层红外发射层；

采用纯金属靶中频磁控溅射方法，纯金属靶为Ti靶或Al靶，以Ar气作为溅射气体制备，基体采用高速钢。溅射前将真空室预抽本底真空至4×10^-3～5×10^-3Pa，通入惰性气体Ar作为溅射气氛，调整溅射距离为130～150mm，调节溅射气压为3×10^-1～4×10^-1Pa。开启纯金属靶的溅射靶电源，调整溅射电压为380～450V，溅射电流为8～10A，利用中频溅射方式制备，涂层厚度在50～250nm，该层对红外波段光谱具有高反射特性，发射率低；

步骤二：在第一层涂层上制备第二层吸收层；

采用金属Ti靶和Al靶中频磁控溅射方法，反应气体为N₂和C₂H₂，首先，将真空室预抽本底真空至4×10^-3～5×10^-3Pa，同时然后通入Ar、N₂和C₂H₂的混合气，Ar的流量为100～140sccm，N₂的流量为30～60sccm，C₂H₂的流量为5～8sccm，调节溅射气压为3×10^-1～4×10^-1Pa，分别开启Ti和Al靶电源，溅射时，调整Ti靶溅射电压为380～450V，溅射电流为8～10A，Al靶溅射电压为380～450V，溅射电流为8～10A，在红外反射层上制备第一亚层TiAlCN+TiAl膜，厚度为50～100nm；

增加N₂的流量为40～70sccm，继续制备第二亚层TiAlCN+TiAl膜，厚度为50～100nm；第一亚层和第二亚层除自身对太阳光谱具备固有吸收特性外，还形成干涉吸收效应，加强了涂层的光吸收作用；

步骤三：在第二层上制备第三层减反射层；

第三层减反射层由TiO₂或者Al₂O₃膜构成；

当由TiO₂膜构成时：采用Ti靶，溅射前将真空室预抽本底真空至4×10^-3～5×10^-3Pa，以Ar气作为溅射气体，通入O₂作为反应气体制备，调节Ar与O₂流量比为1.5∶1～2∶1，调整溅射距离为130～150mm，调节溅射气压为3×10^-1～4×10^-1Pa，溅射时，调整溅射电压为380～450V，溅射电流为8～10A，利用中频磁控溅射方式制备厚度为20～60nm的TiO₂膜即为减反射层。

当由Al₂O₃膜构成时：采用Al靶，溅射前将真空室预抽本底真空至4×10^-3～5×10^-3Pa，通入惰性气体Ar作为溅射气体，调节溅射气压为3×10^-1～4×10^-1Pa。溅射时，调整溅射电压为380～450V，溅射电流为8～10A，利用中频磁控溅射方式制备厚度为20～60nm的Al₂O₃膜即减反射层。

减反射层具有增透、耐磨、抗氧化的作用。

实施例：

制备一种太阳能选择性吸收涂层，包括三个涂层即第一层红外反射层、第二层吸收层、第三层减反射层，第一层厚度为100～250nm，第二层总厚度为110～150nm，其中第一亚层厚度为60～80nm，第二亚层厚度为50～70nm，第三层厚度为30～50nm。制备步骤如下：

步骤一：在基体上制备第一层红外发射层；

选用纯度99.99％的Ti靶和纯度为99.99％的Al靶，基材使用高速钢。溅射前将真空室预抽本底真空至4.5×10^-3～5×10^-3Pa，通入惰性气体Ar作为溅射气氛，调整溅射距离为140～150mm，调节溅射气压为3.5×10^-1～4×10^-1Pa。开启Ti靶和Al靶，调整溅射电压为400～420V，溅射电流为8～8.5A，利用中频溅射方式制备100～250nm厚的TiAl膜；

步骤二：在第一层涂层上制备第二层吸收层；

采用金属Ti靶和Al靶中频磁控溅射方法，同时通入Ar、N₂和C₂H₂的混合气，Ar的流量为110～140sccm，N₂的流量为40～60sccm，C₂H₂的流量为6～8sccm，调节溅射气压为0.41～0.42Pa，分别开启Ti和Al靶电源，调整Ti靶溅射电压为410～420V，溅射电流为8～8.5A，Al靶溅射电压为400～410V，溅射电流为8～8.3A，在AlTi膜上制备60～80nm厚的第一亚层TiAlCN+TiAl膜；

调节N₂的流量为50～70sccm，继续制备厚度为50～70nm的第二亚层TiAlCN+TiAl薄膜；

步骤三：在第二层上制备第三层减反射层；

选用纯度99.99％的Ti靶，溅射前将真空室预抽本底真空至4.5×10^-3～5×10^-3Pa，同时通入Ar、O₂混合气，调节Ar与O₂流量比为2∶1～3∶1，调整溅射距离为145～150mm，调节溅射气压为0.41～0.42Pa，溅射时，调整溅射电流为8～8.3A，溅射电压为400～420V，利用中频磁控溅射方式制备30～50nm厚TiO₂膜。

本实施例制备的太阳能选择性吸收涂层的性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为94.5％，法向发射率为0.08。进行真空退火处理，在2×10^-2Pa真空度下，经350℃真空退火1小时后，涂层吸收率为94％，法向发射率为0.08，在2×10^-2Pa真空度下，经500℃真空退火1小时后，涂层吸收率为93％，法向发射率为0.08。

Claims (6)

1.一种高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，涂层包括三层膜，从基体到表面依次为红外反射层、吸收层和减反射层；

第一层红外反射层由Ti膜、Al膜或者TiAl合金膜之中的任何一种组成，厚度在50～250nm；第二层吸收层包括两个亚层结构，两个亚层均为TiAlCN+TiAl膜，第一亚层和第二亚层的厚度均为50～100nm，第一亚层TiAl的体积百分比大于第二亚层TiAl的体积百分比；第三层减反射层由TiO₂膜或者Al₂O₃膜中任何一种组成，厚度均为20～60nm。

2.根据权利要求1所述的一种高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述吸收层的第一亚层TiAl的体积百分比比第二亚层TiAl的体积百分比大10％。

3.根据权利要求1所述的一种高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述吸收层的第一亚层TiAl的体积百分比为20～40％。

4.根据权利要求1所述的一种高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述吸收层的第二亚层TiAl的体积百分比为10～30％。

5.根据权利要求1所述的一种高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述的TiAlCN+TiAl膜是通过如下方法制备得到：

采用金属Ti靶和Al靶中频磁控溅射方法，反应气体为N₂和C₂H₂，首先，将真空室预抽本底真空至4×10^-3～5×10^-3Pa，然后通入Ar、N₂和C₂H₂的混合气，Ar的流量为100～140sccm，N₂的流量为30～60sccm，C₂H₂的流量为5～8sccm，调节溅射气压为3×10^-1～4×10^-1Pa，分别开启Ti和Al靶电源，溅射时，调整Ti靶溅射电压为380～450V，溅射电流为8～10A，Al靶溅射电压为380～450V，溅射电流为8～10A，制备第一亚层TiAlCN+TiAl膜；增加N₂的流量，制备第二亚层TiAlCN+TiAl膜。

6.一种高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：在基体上制备第一层红外发射层；

采用纯金属靶中频磁控溅射方法制备在基体表面，纯金属靶为Ti靶或Al靶，以Ar气作为溅射气体制备Ti膜、Al膜或者TiAl合金膜，红外发射层厚度在50～250nm；

步骤二：在第一层涂层上制备第二层吸收层；

采用金属Ti靶和Al靶中频磁控溅射方法，通入Ar、N₂和C₂H₂的混合气体，Ar的流量为100～140sccm，N₂的流量为30～60sccm，C₂H₂的流量为5～8sccm，在红外反射层上制备第一亚层TiAlCN+TiAl膜，厚度为50～100nm；

增加N₂的流量为40～70sccm，继续制备第二亚层TiAlCN+TiAl膜，厚度为50～100nm；

步骤三：在第二层上制备第三层减反射层；

第三层减反射层由TiO₂或者Al₂O₃膜构成；

当由TiO₂膜构成时：采用Ti靶中频溅射方法，以Ar气作为溅射气体，通入O₂作为反应气体制备，调节Ar与O₂流量比为1.5∶1～2∶1，制备厚度为20～60nm的TiO₂膜；

当由Al₂O₃膜构成时：采用Al靶中频磁控溅射方法，通入惰性气体Ar作为溅射气体，制备厚度为20～60nm的Al₂O₃膜。

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