CN106350849B - 铝表面高吸收与低发射太阳光谱的氧化膜电沉积制备方法 - Google Patents

铝表面高吸收与低发射太阳光谱的氧化膜电沉积制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铝表面高吸收与低发射太阳光谱的氧化膜电沉积制备方法，以铝合金为氧化基材、分四个步骤实现：一、铝合金表面前处理；二、铝合金阳极氧化；三、将得到的阳极氧化模板进行交流扩孔；四、将扩孔后的阳极氧化铝合金板进行交流电沉积。实验得到CuAl2O3/Cu‑Ni复合纳米棒阵列结构的太阳能吸收涂层，经测试其吸收率α＝0.87～0.91、发射率ε＝0.18～0.26、品质因子α/ε＝3.8～4.9。本发明得到的氧化膜涂层吸收率、发射率波动很小，比较稳定。本发明具有操作简单、成本较低、涂层结合力牢固、太阳能吸收品质因子较高、高温热稳定性较好等优点。

Description

铝表面高吸收与低发射太阳光谱的氧化膜电沉积制备方法
技术领域
本发明属于太阳能吸热材料技术领域，涉及一种用阳极氧化技术与交流电沉积相结合制备太阳能吸收复合氧化膜涂层的方法，特别是涉及以阳极氧化铝为基板，用适当的电沉积参数与适当的沉积液配方制备太阳能吸收复合氧化膜涂层。
背景技术
太阳能直接利用的方式主要是光热转化技术。光热转换技术被广泛地应用于太阳能集热器上，太阳能吸收涂层是集热器的关键组成部分。目前太阳能吸收涂层的方法主要有涂覆方法、电化学方法、真空蒸镀、磁控溅射法等。但都存在不足之处，涂覆法制备的涂层与基体结合力差，容易脱落，耐候性差，易老化，而且集热效率低；电化学法制备的涂层，在中高温条件下热稳定性差，仅限于低温条件使用，且制备工艺存在环境污染的问题；磁控溅射法成本较高，生产效率低，生产条件苛刻，材料来源少，溅射电压很高，操作不当可能对人生命安全造成威胁，很难向大规模工业化生产推广。铝合金基材是光学性能非常优良的材料，对红外光波反射性能非常优异。对太阳能吸收涂层来讲，其表面通过阳极氧化生成的多孔氧化膜对孔内高吸收率的纳米金属离子有很好的保护作用，防止了外界环境的不良侵蚀和干扰。但其太阳能吸收率不够理想，吸收涂层热稳定性较差，在高温环境的应用还不够成熟。
据2010年《太阳能材料与太阳能电池》第94期，1578至1581页报道，Ding等人首次利用电化学方法在氧化铝孔中原位沉得到复合纳米棒阵列，该阵列具有良好的光吸收性，但其涂层温度超过300℃以后涂层品质因子开始下降。说明其在中高温条件下热稳定性不好。
据2014年《Energy Procedia》第57期，2733至2742页报道，Samuel Santiago等人在不同的交流电压和交流频率条件下向阳极氧化铝膜孔中沉积了单一金属镍，其制备的氧化膜层在可见光区表现为较低的反射率，但其在近红外1500nm～2500nm附近却表现出较高的反射率。所以其复合氧化膜层并未在太阳能主要吸收谱段300nm～2500nm表现出很高的吸收率。
因此，现有技术中关于制备阳极氧化铝太阳能吸收涂层的方法存在沉积金属粒子较为单一，太阳能全波段吸收率不高，在300℃以上氧化膜涂层高温热稳定性较差的问题。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种用阳极氧化技术与交流电沉积相结合制备太阳能吸收复合氧化膜涂层的方法，具体为以阳极氧化铝为基板，用适当的电沉积参数与适当的沉积液配方制备太阳能吸收复合氧化膜涂层。
本发明是采用如下技术方案来实现以上目的：
铝表面高吸收与低发射太阳光谱的氧化膜电沉积制备方法，包括以下步骤：
(1)对铝合金进行阳极氧化处理，阳极氧化条件：以铝合金作为阳极，铅板作为阴极，电流密度1.2A/dm2，氧化时间30min，温度15～20℃，即得阳极氧化铝合金；
(2)将得到的阳极氧化铝合金用蒸馏水水洗后吹干，放入磷酸溶液中进行交流扩孔处理；
(3)将扩孔后的阳极氧化铝合金用蒸馏水水洗后，放入沉积液中进行交流电沉积，即得。
进一步地，所述步骤(1)中对铝合金进行阳极氧化的电解液为硫酸溶液，质量分数为15～17％。
进一步地，所述步骤(2)中放入磷酸溶液中进行交流扩孔处理具体为：在105g/L磷酸溶液中交流扩孔，交流电压为4V(峰值电压)，预浸10s，扩孔时间为600s，温度为25℃。
进一步地，所述步骤(3)中进行交流电沉积的条件具体为：沉积电压为6V～12V(峰值电压)、沉积时间为300s～900s、沉积温度25℃～55℃，交流频率50Hz。
进一步地，所述步骤(3)中的沉积液组成为：40g/L NiSO4·6H2O、4g/L CuSO4、25g/L H3BO4(pH＝4.0)、15g/L MgSO4·7H2O和3g/L C6H5O7(NH4)3。
进一步地，对铝合金进行阳极氧化处理前需要进行铝合金材料前处理，具体为：将铝合金材料放在温度为70℃的45g/L NaOH、2g/L C12H25SO4Na的混合溶液中碱蚀3min，然后，将碱蚀后的铝合金材料用水冲洗干净，放入10％H2SO4、4％HNO3混合溶液中除灰4min，再将除灰后的铝合金材料用超纯水冲洗后进行阳极氧化处理。
进一步地，本发明所述的铝合金材料为6063铝合金。
本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：
本发明采用阳极氧化技术与交流电沉积相结合制备太阳能吸收复合氧化膜涂层，具体为以阳极氧化铝为基板，用适当的电沉积参数与适当的沉积液配方制备太阳能吸收复合氧化膜涂层。所述的复合氧化膜涂层为CuAl2O3/Cu-Ni复合纳米棒阵列结构的太阳能吸收涂层，经测试其吸收率α＝0.87～0.91、发射率ε＝0.18～0.26、品质因子α/ε＝3.8～4.9。其中，电介质Al2O3、CuAl2O4、与金属Cu-Ni纳米颗粒构成的三元复合体系防止了Cu、Ni金属粒子的氧化，经最高600℃高温处理24h后，其氧化膜涂层吸收率、发射率波动很小，比较稳定。本发明具有操作简单、成本较低、涂层结合力牢固、太阳能吸收品质因子较高、高温热稳定性较好等优点。
具体实施方式
实施例1铝表面高吸收与低发射太阳光谱的复合氧化膜涂层制备
(1)铝合金材料前处理：将铝合金材料放在温度为70℃的45g/L NaOH、2g/LC12H25SO4Na的混合溶液中碱蚀3min，然后，将碱蚀后的铝合金材料用水冲洗干净放入10％H2SO4、4％HNO3混合溶液中除灰4min，再将除灰后的铝合金材料用超纯水冲洗后，备用；
(2)阳极氧化：将前处理后的铝合金材料放入到浓度为15％的硫酸中进行氧化，以铝合金材料作为阳极，铅板作为阴极，氧化电流密度为1.2A/dm2，氧化时间为30min，温度为15℃，即得阳极氧化铝合金；
(3)交流扩孔：将氧化后的铝合金用纯水冲洗干净，吹干后，放入105g/L H3PO4磷酸溶液，将铝合金材料接正极，石墨板接负极，交流电压为4V(峰值电压)，预浸10s，扩孔时间为600s，温度为25℃；
(4)电沉积Cu-Ni复合纳米颗粒：将扩孔后的铝合金材料用纯水冲洗干净、吹干后放入沉积液中进行电沉积，沉积电压为6V(峰值电压)、沉积时间为600s、沉积温度为40℃，交流频率为50Hz，其中，沉积液由40g/L NiSO4·6H2O、4g/L CuSO4、25g/L H3BO4(pH＝4.0)、15g/L MgSO4·7H2O、3g/L C6H5O7(NH4)3组成。
得到复合氧化膜涂层吸收率为0.87，发射率为0.22，品质因子为3.81。经热处理，热稳定最高温度为400℃。
实施例2铝表面高吸收与低发射太阳光谱的复合氧化膜涂层制备
(1)铝合金材料前处理：将铝合金材料放在温度为70℃的45g/L NaOH、2g/LC12H25SO4Na的混合溶液中碱蚀3min，然后，将碱蚀后的铝合金材料用水冲洗干净放入10％H2SO4、4％HNO3混合溶液中除灰4min，再将除灰后的铝合金材料用超纯水冲洗后，备用；
(2)阳极氧化：将前处理后的铝合金材料放入到浓度为17％的硫酸中进行氧化，以铝合金材料作为阳极，铅板作为阴极，氧化电流密度为1.2A/dm2，氧化时间为30min，温度为20℃，即得阳极氧化铝合金；
(3)交流扩孔：将氧化后的铝合金用纯水冲洗干净，吹干后，放入105g/L H3PO4磷酸溶液，将铝合金材料接正极，石墨板接负极，交流电压为4V(峰值电压)，预浸10s，扩孔时间为600s，温度为25℃；
(4)电沉积Cu-Ni复合纳米颗粒：将扩孔后的铝合金材料用纯水冲洗干净、吹干后放入沉积液中进行电沉积，沉积电压为6V(峰值电压)、沉积时间为900s、沉积温度为55℃，交流频率为50Hz，其中，沉积液由40g/L NiSO4·6H2O、4g/L CuSO4、25g/L H3BO4(pH＝4.0)、15g/L MgSO4·7H2O、3g/L C6H5O7(NH4)3组成。
得到复合氧化膜涂层吸收率为0.95，发射率为0.20，品质因子为4.60。经热处理，热稳定最高温度为500℃。
实施例3铝表面高吸收与低发射太阳光谱的复合氧化膜涂层制备
(1)铝合金材料前处理：将铝合金材料放在温度为70℃的45g/L NaOH、2g/LC12H25SO4Na的混合溶液中碱蚀3min，然后，将碱蚀后的铝合金材料用水冲洗干净放入10％H2SO4、4％HNO3混合溶液中除灰4min，再将除灰后的铝合金材料用超纯水冲洗后，备用；
(2)阳极氧化：将前处理后的铝合金材料放入到浓度为16％的硫酸中进行氧化，以铝合金材料作为阳极，铅板作为阴极，氧化电流密度为1.2A/dm2，氧化时间为30min，温度为18℃，即得阳极氧化铝合金；
(3)交流扩孔：将氧化后的铝合金用纯水冲洗干净，吹干后，放入105g/L H3PO4磷酸溶液，将铝合金材料接正极，石墨板接负极，交流电压为4V(峰值电压)，预浸10s，扩孔时间为600s，温度为25℃；
(4)电沉积Cu-Ni复合纳米颗粒：将扩孔后的铝合金材料用纯水冲洗干净、吹干后放入沉积液中进行电沉积，沉积电压为9V(峰值电压)、沉积时间为300s、沉积温度为40℃，交流频率为50Hz，其中，沉积液由40g/L NiSO4·6H2O、4g/L CuSO4、25g/L H3BO4(pH＝4.0)、15g/L MgSO4·7H2O、3g/L C6H5O7(NH4)3组成。
得到复合氧化膜涂层吸收率为0.89，发射率为0.23，品质因子为3.88。经热处理，热稳定最高温度为400℃。
实施例4铝表面高吸收与低发射太阳光谱的复合氧化膜涂层制备
(1)铝合金材料前处理：将铝合金材料放在温度为70℃的45g/L NaOH、2g/LC12H25SO4Na的混合溶液中碱蚀3min，然后，将碱蚀后的铝合金材料用水冲洗干净放入10％H2SO4、4％HNO3混合溶液中除灰4min，再将除灰后的铝合金材料用超纯水冲洗后，备用；
(2)阳极氧化：将前处理后的铝合金材料放入到浓度为15％的硫酸中进行氧化，以铝合金材料作为阳极，铅板作为阴极，氧化电流密度为1.2A/dm2，氧化时间为30min，温度为18℃，即得阳极氧化铝合金；
(3)交流扩孔：将氧化后的铝合金用纯水冲洗干净，吹干后，放入105g/L H3PO4磷酸溶液，将铝合金材料接正极，石墨板接负极，交流电压为4V(峰值电压)，预浸10s，扩孔时间为600s，温度为25℃；
(4)电沉积Cu-Ni复合纳米颗粒：将扩孔后的铝合金材料用纯水冲洗干净、吹干后放入沉积液中进行电沉积，沉积电压为9V(峰值电压)、沉积时间为900s、沉积温度为25℃，交流频率为50Hz，其中，沉积液由40g/L NiSO4·6H2O、4g/L CuSO4、25g/L H3BO4(pH＝4.0)、15g/L MgSO4·7H2O、3g/L C6H5O7(NH4)3组成。
得到复合氧化膜涂层吸收率为0.92，发射率为0.20，品质因子为4.51。经热处理，热稳定最高温度为600℃。
实施例5铝表面高吸收与低发射太阳光谱的复合氧化膜涂层制备
(1)铝合金材料前处理：将铝合金材料放在温度为70℃的45g/L NaOH、2g/LC12H25SO4Na的混合溶液中碱蚀3min，然后，将碱蚀后的铝合金材料用水冲洗干净放入10％H2SO4、4％HNO3混合溶液中除灰4min，再将除灰后的铝合金材料用超纯水冲洗后，备用；
(2)阳极氧化：将前处理后的铝合金材料放入到浓度为17％的硫酸中进行氧化，以铝合金材料作为阳极，铅板作为阴极，氧化电流密度为1.2A/dm2，氧化时间为30min，温度为18℃，即得阳极氧化铝合金；
(3)交流扩孔：将氧化后的铝合金用纯水冲洗干净，吹干后，放入105g/L H3PO4磷酸溶液，将铝合金材料接正极，石墨板接负极，交流电压为4V(峰值电压)，预浸10s，扩孔时间为600s，温度为25℃；
(4)电沉积Cu-Ni复合纳米颗粒：将扩孔后的铝合金材料用纯水冲洗干净、吹干后放入沉积液中进行电沉积，沉积电压为12V(峰值电压)、沉积时间为600s、沉积温度为25℃，交流频率为50Hz，其中，沉积液由40g/L NiSO4·6H2O、4g/L CuSO4、25g/L H3BO4(pH＝4.0)、15g/L MgSO4·7H2O、3g/L C6H5O7(NH4)3组成。
得到复合氧化膜涂层吸收率为0.91，发射率为0.18，品质因子为4.92。经热处理，热稳定最高温度为600℃。
实施例6铝表面高吸收与低发射太阳光谱的复合氧化膜涂层制备
(1)铝合金材料前处理：将铝合金材料放在温度为70℃的45g/L NaOH、2g/LC12H25SO4Na的混合溶液中碱蚀3min，然后，将碱蚀后的铝合金材料用水冲洗干净放入10％H2SO4、4％HNO3混合溶液中除灰4min，再将除灰后的铝合金材料用超纯水冲洗后，备用；
(2)阳极氧化：将前处理后的铝合金材料放入到浓度为16％的硫酸中进行氧化，以铝合金材料作为阳极，铅板作为阴极，氧化电流密度为1.2A/dm2，氧化时间为30min，温度为20℃，即得阳极氧化铝合金；
(3)交流扩孔：将氧化后的铝合金用纯水冲洗干净，吹干后，放入105g/L H3PO4磷酸溶液，将铝合金材料接正极，石墨板接负极，交流电压为4V(峰值电压)，预浸10s，扩孔时间为600s，温度为25℃；
(4)电沉积Cu-Ni复合纳米颗粒：将扩孔后的铝合金材料用纯水冲洗干净、吹干后放入沉积液中进行电沉积，沉积电压为12V(峰值电压)、沉积时间为900s、沉积温度为40℃，交流频率为50Hz，其中，沉积液由40g/L NiSO4·6H2O、4g/L CuSO4、25g/L H3BO4(pH＝4.0)、15g/L MgSO4·7H2O、3g/L C6H5O7(NH4)3组成。
得到复合氧化膜涂层吸收率为0.92，发射率为0.26，品质因子为3.45。经热处理，热稳定最高温度为500℃。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.铝表面高吸收与低发射太阳光谱的氧化膜电沉积制备方法，其特征在于，所述氧化膜电沉积制备方法包括以下步骤：
（1）对铝合金进行阳极氧化处理，阳极氧化条件：以铝合金作为阳极，铅板作为阴极，电流密度1.2A/dm2，氧化时间30min，温度15~20℃，即得阳极氧化铝合金；
（2）将得到的阳极氧化铝合金用蒸馏水水洗后吹干，放入磷酸溶液中进行交流扩孔处理；
（3）将扩孔后的阳极氧化铝合金用蒸馏水水洗后，放入沉积液中进行交流电沉积，即得，沉积液组成为：40g/L NiSO4·6H2O、4g/L CuSO4、25g/L H3BO3、15g/L MgSO4·7H2O和3g/L C6H5O7(NH4)3；
对铝合金进行阳极氧化处理前需要进行铝合金材料前处理，具体为：将铝合金材料放在温度为70℃的45g/L NaOH、2g/L C12H25SO4Na的混合溶液中碱蚀3min，然后，将碱蚀后的铝合金材料用水冲洗干净，放入10% H2SO4、4% HNO3混合溶液中除灰4min，再将除灰后的铝合金材料用超纯水冲洗；
所述步骤（1）中对铝合金进行阳极氧化的电解液为硫酸溶液，质量分数为15~17%；
所述步骤（2）中放入磷酸溶液中进行交流扩孔处理具体为：在105g/L磷酸溶液中交流扩孔，交流峰值电压为4V，预浸10s，扩孔时间为600s，温度为25℃；
所述步骤（3）中进行交流电沉积的条件具体为：电沉积时的峰值电压为6V~12V、沉积时间为300s~900s、沉积温度25℃~55℃，交流频率50Hz。
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