CN106468483A - 一种新型叠堆结构光热转换涂层 - Google Patents

一种新型叠堆结构光热转换涂层 Download PDF

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刘晓鹏
孟建平
杜淼
米菁
郝雷
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Abstract

本发明公开了一种新型叠堆结构光热转换涂层，自基底向外依次由金属红外反射层、阻扩散层、第一吸收层、电介质层、第二吸收层、第一减反射层和第二减反射层构成。该涂层采用双层过渡族金属氮化物或氮氧化物作为吸收层，并采用过渡金属与Al或Si形成的氮化物或氮氧化物金属陶瓷层作为红外反射层与吸收层之间的阻扩散层；该涂层的吸收率α＝0.93～0.96，发射率ε≤0.06(82℃)，ε≤0.12(400℃)。本发明的新型叠堆结构光热转换涂层具有吸收率高，发射率低，抗氧化性能和耐高温性能优异，适用于槽式太阳能热发电真空集热管和平板集热器。

Description

一种新型叠堆结构光热转换涂层
技术领域
本发明涉及一种新型叠堆结构光热转换涂层，该涂层可用于真空集热管和平板集热器，属于太阳能光热利用材料技术领域。
背景技术
太阳能选择性吸收涂层能够提高太阳能热利用***中集热器的光热转换效率。根据涂层的使用温度范围分为：低温利用(≤100℃)、中温利用(100～400℃)、高温利用(≥400℃)。目前，太阳能的低温利用较为广泛，如太阳能热水器等，而太阳能的中高温利用较少。
作为太阳能选择性吸收涂层，需要具有高的吸收率、低的发射率和高的热稳定性，对于高温应用涂层，涂层发射率和热稳定性更加重要，因为物质的热辐射与温度(T)的4次方成正比，而涂层的热稳定性也决定了涂层服役温度和寿命。目前，高温应用的涂层体系主要包括金属-电介质叠堆涂层和金属陶瓷涂层，其中金属-电介质叠堆涂层具有发射率低、工艺简单等优势而获得广泛的应用。最先应用的金属-电介质叠堆涂层是Schmidt和Park开发的Al2O3/Mo/Al2O3涂层，该涂层被称为AMA结构。基于AMA结构，由不同金属和电介质构成的金属-电介质涂层不断被开发出来。金属材料有Mo、W、Al、Hf、Ni等，电介质材料有Al2O3、HfO2、SiO2、AlN等，但金属-电介质叠堆涂层在服役过程中，尤其在高温条件下金属的氧化和扩散等问题显著。
发明内容
针对以上金属-电介质叠堆涂层中金属氧化和扩散的问题，本发明的目的在于提供一种新型叠堆结构光热转换涂层，该涂层具有吸收率高，发射率低，抗氧化性能和耐高温性能优异，适用于槽式太阳能热发电真空集热管和平板集热器。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种新型叠堆结构光热转换涂层，自基底向外依次由金属红外反射层、阻扩散层、第一吸收层、电介质层、第二吸收层、第一减反射层和第二减反射层构成。
其中，所述金属红外反射层由W、Mo、Cu、Al、Ag和Ni中的一种构成，该金属红外反射层的厚度为50-300nm。
所述阻扩散层由过渡金属与Al或Si形成的氮化物或氮氧化物构成。
所述第一吸收层和第二吸收层分别由过渡族金属氮化物或氮氧化物中的一种构成，厚度为3-30nm。所述过渡金属为Ti、Zr、Hf、Cr、Mo、W、V、Nb或Ta。
所述电介质层由Si3N4、SiON、SiO2、AlN、AlON和Al2O3中的一种构成，其厚度为20-100nm。
所述第一层减反射层的折射率大于第二层减反射层的折射率，两层减反射层的总厚度为50-100nm。所述第一减反射层和第二减反射层的组合为：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中的一种。
本发明的新型叠堆结构光热转换涂层采用物理气相沉积方法制备而成，通过调整靶材种类、溅射功率、氩气-氮气-氧气流量和沉积时间控制各层的成分和厚度。
本发明的优点在于：
本发明的新型叠堆结构光热转换涂层采用双层过渡族金属氮化物或氮氧化物作为吸收层，并采用过渡金属与Al或Si形成的氮化物或氮氧化物金属陶瓷层作为红外反射层与吸收层之间的扩散层；该涂层的吸收率α＝0.93～0.96，发射阻率ε≤0.05(82℃)，ε≤0.12(400℃)。
本发明的新型叠堆结构光热转换涂层具有吸收率高，发射率低，抗氧化性能和耐高温性能优异，适用于槽式太阳能热发电真空集热管和平板集热器。
附图说明
图1为本发明的新型叠堆结构光热转换涂层的结构示意图。
图2为实施例1制备的涂层的反射率曲线。
图3为实施例2制备的涂层的反射率曲线。
图4为实施例3制备的涂层的反射率曲线。
图5为实施例4制备的涂层的反射率曲线。
图6为实施例5制备的涂层的反射率曲线。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明做进一步说明，但不用于限制本发明。
如图1所示，本发明的新型叠堆结构光热转换涂层自基底向外依次由金属红外反射层1、阻扩散层2、第一吸收层3、电介质层4、第二吸收层5、第一减反射层6和第二减反射层7构成。
本发明的新型叠堆结构光热转换涂层采用物理气相沉积方法制备而成，通过调整靶材种类、溅射功率、氩气-氮气-氧气的流量和沉积时间来控制各层的成分和厚度，具体包括以下步骤：
(1)将基底材料超声清洗烘干后放入真空室，表面再通过氩离子刻蚀清洗。
(2)按照涂层设计，沉积相应的金属红外反射层。
(3)沉积阻扩散层，阻扩散层由过渡金属(Ti、Zr、Hf、Cr、Mo、W、V、Nb、Ta)与Al或Si形成的氮化物或氮氧化物金属陶瓷层构成。
(4)沉积第一吸收层，该吸收层为过渡族金属(Ti、Zr、Hf、Cr、Mo、W、V、Nb、Ta)氮化物或氮氧化物中的一种。
(5)沉积电介质层，电介质层为Si3N4、SiON、SiO2、AlN、AlON和Al2O3中的一种。
(6)沉积第二吸收层，该吸收层为过渡族金属(Ti、Zr、Hf、Cr、Mo、W、V、Nb、Ta)氮化物或氮氧化物中的一种。
(7)沉积双减反射层，该双减反射层为组合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中的一种。
实施例1
以Cu/ZrAlN/ZrN/AlN/ZrN/AlN/AiON涂层为例，镀膜机中通入氩气溅射铜靶沉积红外反射层，厚度100nm。通氩气和氮气，分别采用锆靶和铝靶反应溅射沉积阻扩散层ZrAlN，厚度为80nm。在氩气和氮气的气氛中，采用锆靶反应溅射沉积第一吸收层ZrN，厚度25nm。在氩气和氮气的气氛中，采用铝靶反应溅射沉积电介质层AlN，厚度为50nm。在氩气和氮气的气氛中，采用锆靶反应溅射沉积第二吸收层ZrN，厚度为30nm。在氩气和氮气的气氛中，采用铝靶反应溅射沉积第一减反射层AlN，厚度为50nm。通氩气、氮气和氧气，采用铝靶反应溅射沉积第二减反射层AlON，厚度为20nm。所制备的涂层的反射率曲线如图2所示。
所制备涂层的吸收率α＝0.95，发射率为ε≤0.05(82℃)，ε≤0.10(400℃)。
实施例2
以Ni/TiSiN/TiN/Si3N4/TiN/Si3N4/SiO2涂层为例，在镀膜机中通入氩气，氩离子轰击镍靶沉积金属红外反射层，厚度为100nm。通氩气和氮气，采用钛靶和硅靶反应溅射沉积阻扩散层TiSiN，厚度为50nm。在氩气和氮气的气氛中，采用钛靶反应溅射沉积第一吸收层TiN，厚度为18nm。在氩气和氮气的气氛中，采用硅靶反应溅射沉积电介质层Si3N4，厚度为40nm。在氩气和氮气的气氛中，采用钛靶反应溅射沉积第二吸收层TiN，厚度为20nm。在氩气和氮气的气氛中，采用硅靶反应溅射沉积第一减反射层Si3N4，厚度为60nm。通氩气和氧气，采用硅靶反应溅射沉积第二减反射层SiO2，厚度为30nm。所制备的涂层的反射率曲线如图3所示。
所制备涂层的吸收率α＝0.94，发射率为ε≤0.06(82℃)，ε≤0.11(400℃)。
实施例3
以Mo/TiAiON/TiON/AlON/TiN/AlON/Al2O3涂层为例，在镀膜机中通入氩气，氩离子轰击钼靶沉积金属红外反射层，厚度为80nm。通氩气、氮气和氧气，采用钛靶和铝靶反应溅射沉积阻扩散层TiAlON，厚度为70nm。在氩气、氮气和氧气的气氛中，采用钛靶反应溅射沉积第一吸收层TiON，厚度为20nm。在氩气、氮气和氧气的气氛中，采用铝靶反应溅射沉积电介质层AlON，厚度为40nm。在氩气和氮气的气氛中，采用钛靶反应溅射沉积第二吸收层TiN，厚度为30nm。在氩气、氮气和氧气的气氛中，采用铝靶反应溅射沉积第一减反射层AlON，厚度为45nm。通氩气和氧气，采用铝靶反应溅射沉积第二减反射层Al2O3，厚度为30nm。所制备的涂层的反射率曲线如图4所示。
所制备涂层的吸收率α＝0.94，发射率为ε≤0.06(82℃)，ε≤0.12(400℃)。
实施例4
以W/WSiON/WON/SiON/WON/SiON/SiO2涂层为例，在镀膜机中通入氩气，氩离子轰击钨靶沉积金属红外反射层，厚度为110nm。通氩气、氮气和氧气，采用钨靶和硅靶反应溅射沉积阻扩散层WSiON，厚度为60nm。在氩气、氮气和氧气的气氛中，采用钨靶反应溅射沉积第一吸收层WON，厚度为15nm。在氩气、氮气和氧气的气氛中，采用硅靶反应溅射沉积电介质层SiON，厚度为60nm。在氩气、氮气和氧气的气氛中，采用钨靶反应沉积第二吸收层WON，厚度为25nm。在氩气、氮气和氧气的气氛中，采用硅靶反应溅射沉积第一减反射层SiON，厚度为60nm。通氩气和氧气，采用硅靶反应溅射沉积第二减反射层SiO2，厚度为30nm。所制得的涂层反射率曲线如图5所示。
所制备涂层的吸收率α＝0.94，发射率为ε≤0.06(82℃)，ε≤0.12(400℃)。
实施例5
以Mo/NbAlON/NbON/Al2O3/NbON/AlON/Al2O3涂层为例，在镀膜机中通入氩气，氩离子轰击钼靶沉积金属红外反射层，厚度为100nm。通氩气、氮气和氧气，采用铌靶和铝靶反应溅射沉积阻扩散层NbAlON，厚度为50nm。在氩气、氮气和氧气的气氛中，采用铌靶反应溅射沉积NbON，厚度为18nm。在氩气和氧气的气氛中，采用铝靶反应溅射沉积Al2O3，厚度为40nm。在氩气、氮气和氧气的气氛中，采用铌靶反应沉积NbON，厚度为20nm。在氩气、氮气和氧气的气氛中，采用铝靶反应溅射沉积AlON，厚度为50nm。通氩气和氧气，采用铝靶反应溅射沉积Al2O3，厚度为35nm。所制备的涂层的反射率曲线如图6所示。
所制备涂层的吸收率α＝0.94，发射率为ε≤0.06(82℃)，ε≤0.12(400℃)。

Claims (8)

1.一种新型叠堆结构光热转换涂层，其特征在于，自基底向外依次由金属红外反射层、阻扩散层、第一吸收层、电介质层、第二吸收层、第一减反射层和第二减反射层构成。
2.根据权利要求1所述的新型叠堆结构光热转换涂层，其特征在于，所述金属红外反射层由W、Mo、Cu、Al、Ag和Ni中的一种构成。
3.根据权利要求1所述的新型叠堆结构光热转换涂层，其特征在于，所述阻扩散层由过渡金属与Al或Si形成的氮化物或氮氧化物构成。
4.根据权利要求1所述的新型叠堆结构光热转换涂层，其特征在于，所述第一吸收层和第二吸收层分别由过渡族金属氮化物或氮氧化物中的一种构成。
5.根据权利要求3或4所述的新型叠堆结构光热转换涂层，其特征在于，所述过渡金属为Ti、Zr、Hf、Cr、Mo、W、V、Nb或Ta。
6.根据权利要求1所述的新型叠堆结构光热转换涂层，其特征在于，所述电介质层由Si3N4、SiON、SiO2、AlN、AlON和Al2O3中的一种构成。
7.根据权利要求1所述的新型叠堆结构光热转换涂层，其特征在于，所述第一层减反射层的折射率大于第二层减反射层的折射率。
8.根据权利要求7所述的新型叠堆结构光热转换涂层，其特征在于，所述第一减反射层和第二减反射层的组合为：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中的一种。
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