专利名称：红外反射体的制作方法
红外反射体本发明涉及红外反射体的开发。21世纪主要的全球挑战之ー涉及能量以更有效和更环境友好的方式的制备、分布和消耗。该挑战在所有的经济部门中成为普遍存在的，并且影响了寻找具有较低能耗的解决方案的未来エ业活动。在该减少能量支出的背景下，探寻这样的涂层该涂层能够限制腔体中的温度上升，即能够防止能量损失到外部。出于此目的，该涂层必须具有高的热辐射反射率(近和中红外(IR)范围)。高的热辐射反射率意味着在2. 5-14. 5 iim范围内高于70%的平均红外辐射反射率。通常，在腔体中例如家用电炉或汽车排气系统中，腔壁吸收由加热元件所发射的红外辐射。它们变热进而发射出延伸到更长波长的辐射，因为它们的温度低于加热元件的温度。该辐射将会部分被布置在腔体内的物体所吸收，并且剰余部分将会再次被腔壁吸收。通过腔体内的对流并且通过构成腔壁的各个层中的传导，将ー些没有被辐射的热能传输到腔体的外壁，在那里在提高其经过的各个层的温度之后通过对流将会消散于周围的空气中。为了限制到腔体外部的能量损失并且改善所述设备的能量性能，一个解决方案由在腔体内捕获红外辐射构成，其使得能够避免能量损失和任选地借助于使用绝缘泡沫。由于它们的高红外反射率，金属性基材(任选涂覆有金属)对于此目的是特别理想的。然而，对于它们的使用而言存在很多这样的缺点-例如在冷轧钢(或黑铁板)的情形中基材的过早腐蚀-例如在铝或镀铝涂层的情形中在碱性介质中的腐蚀-例如在不锈钢的情形中在温度升高期间表面的变黄-与污物接触的表面不存在可清洁性-例如在铜或铝的情形中在潮湿环境中的锈蚀为了承受高温和腐蚀和/或氧化性的环境，我们通常利用上漆或上釉的表面。然而，这些表面具有低的红外反射率并且不允许能量増益。相比之下，使用金属性基材(任选涂覆有金属)作为腔体壁提供了相对于上漆或上釉的腔壁约20%的能量増益。本发明的目的是提供同时具有高红外反射率和对高温和对腐蚀和/或氧化性环境的良好耐受性的红外反射体。已设计并实现了该红外反射体用于克服上述的缺点并且用于获得其它的优点。出于该目的，本发明首先涉及ー种由金属性基材构成的红外反射体，其主要特征在于该金属性基材涂覆有通式为(ZrxCr1JhNy (x为0. 15-0. 7并且y为0. 01-0. 265)的锆和铬的氮化物层。根据本发明的红外反射体还可包含以下任选的特征(単独或组合)-锆和铬的氮化物层为l_150nm厚度-该层具有的锆比例X为0.25-0. 5-该层具有的氮化程度y为0.1-0. 25-该金属性基材在2.5-14. 5 ii m范围内在红外中具有80%_99%的平均发射率。、
-该金属性基材由钢组成，该钢预先覆盖有O铝合金，其包含8-11重量％的硅和2-4重量％的铁，余量由铝和因加工所致的不可避免的杂质组成
O或铝层，余量由因加工所致的不可避免的杂质组成O或相继地铝合金(其包含8-11重量％的硅和2-4重量％的铁，余量由铝和因加工所致的不可避免的杂质组成)和铝合金层。-红外反射体可用于制作腔体的内壁，后者优选为烹饪炉或汽车排气系统。因此将理解，所提出的技术问题的解决方案由以下步骤构成选择具有高红外反射率的金属性表面并且用锆和铬的氮化物沉积物处理该金属表面。其次，本发明涉及制造根据本发明的红外反射体的方法，其主要包括以下步骤-提供金属性基材-通过物理气相沉积技术优选通过磁控溅射在所述基材上沉积锆和铬的氮化层，其使用O祀材,其由15-70重量％的错和余量组成,该余量由铬和因加工所致的不可避免的杂质组成O以4/16至16/16比例注入氮与中性载体气，同时沉积锆和铬。在阅读了下面给出的描述后，本发明的其它特征和优点将变得清楚。因而，根据本发明的红外反射体首先由任选地涂覆有金属的金属性基材构成。取决于所需要的应用和性能，可使用以下物质(但该清单不是穷举的)黑铁板，镀锌钢，涂覆有包含5重量％铝的锌合金(Galfan )的钢，涂覆有包含55重量％铝、约1.5重量％硅、由锌和因加工所致的不可避免杂质组成的余量的锌合金(Aluzinc ,Galvalume )的钢，涂覆有包含约8-11重量％硅和2-4重量％铁、由铝和因加工所致的不可避免杂质组成的余量的铝合金(Alusi )的钢，涂覆有铝层的钢(Alupur )，不锈钢，铝，铜，相继涂覆有包含约8-11重量％硅和2-4重量％铁、由铝和因加工所致的不可避免的杂质组成的余量的铝合金(Alusi )和20-60nm厚度的铝合金层的钢。这些不同的基材在
2.5-14. 5 u m范围内具有80-99%的平均红外反射率。在本文中，金属性基材将意指任选地涂覆有ー个或多个金属层的金属性基材。在腔体中，还可使该腔壁经受苛刻、侵蚀性的条件例如-高达400V的温度上升-暴露于侵蚀性质的污物-暴露于碱性环境所有这些条件威胁了红外反射体外层的整体性。本发明人意外地发现，通过用锆和铬的氮化物层涂覆高红外反射率的金属性基材，获得了耐受:苛刻条件而保留闻红外反射率的基材。可以由15-70重量％的锆和余量组分组成的合金获得根据本发明的锆和铬的氮化物层，所述余量组分由铬和因加工所致的不可避免杂质组成。发现低于15%或高于70%的锆百分比促进所形成的层的性能劣化；显著地，对于低于15%锆百分比，观察到差的可清洁性，并且对于高于70%的锆百分比，观察到差的耐温性。对于铬而言，其有助于制备耐受温度并且为深色的层。因此所形成的层将具有的锆比例X为0. 15-0. 7。
可以通过所有的真空沉积技术在金属性基材上沉积层，其中我们可提及例如磁控溅射PVD (物理气相沉积)、e-束(电子束)、IBAD (离子束辅助沉积)、离子枪、JVD (喷射气相沉积)、SIP (溅射离子镀覆)。优选地，我们应该从由46重量％错和54重量％铬组成(Zr46Cr54)的祀材开始。事实上，从该合金开始而获得的层具有所需要的各种特性之间的良好折衷。由于在层沉积期间的设置对于在所形成的层中有效地观察到的锆和铬的百分比具有影响，并且由于测量仪器的精确性而在所测量的值中引入不确定性，因此优选地我们应该在所形成的层中确定
0.25-0. 5的锆比例X。在沉积期间，通过添加 氮进行层的氮化。该氮化对于获得所需的性质是必不可少的。氮显著地干扰了对红外的透明性以及干扰了层的顔色。納入的非常少量的氮已经足以获得令人满意的性质。出于结构原因，納入的氮量不应该超过Me3N4型的化学计量比，其中Me表示锆原子和铬原子。该化学计量比对应于26. 5重量％的最大氮百分比。优选地，将以这样的方法进行氮的納入，使得获得MeN型的化学计量比，在该所需的化学计量比的MeNa8或Me\2附近的小改变是允许的。该化学计量比展示了对于红外反射率的优化值，取决于锆和铬的相对百分比，对应于10重量％_25重量％的氮百分比。通过氮流量，更具体地通过氩和氮流量的比例，来控制层的氮化。由于所需的氮化和氮流量之间的关系是沉积机器的几何形状的函数，因而在本领域技术人员的普通知识基础上可以选择适于所用机器的流量。进行沉积使得锆/铬合金具有的氮化程度y为
0.01-0. 265 并且优选为 0. 1-0. 25。由于对红外的透明性是层厚度的函数，因而控制该厚度使得红外反射体的平均反射率保持高于70%。低于该值，不再认为表面是红外反射体。为了维持充分的透明性，不应该超过的最大厚度取决于所述金属性基材并且取决于形成的沉积物的化学计量比。对于每个金属性基材和每种考虑中的化学计量比，可以通过基于所形成的层的真实和虚构的光学指数(也就是对于每个2. 5-14. 5 u m的波长)测量的数值模拟评估最大厚度。作为ー个例子，在AlUSi 的基材上沉积的通式为(ZrxCivx) i-yNy (X为0. 3并且y为0. 12)的锆和铬的氮化物层的情形中，在150nm的厚度下获得该70%的红外反射率，这将构成最大厚度。根据本发明的红外反射体具有以下特性-它具有的平均反射率与金属性基材接近并且高于70%-它承受400°C的暴露-如果脏了可将它容易地清洁-它承受碱性环境还可发现以下其它的优点-锆和铬的氮化物层改善了金属性基材对大气腐蚀的耐受性-对于低于40nm的厚度该层为深灰一蓝色调并且对于更大的厚度为无烟煤(anthracite)灰色调。对于家用电炉型应用，该无烟煤灰色调方便了该层的使用，其中优选深色的层。对于装饰应用其还可以成为优点。为了说明本发明，进行测试并且将测试描述为非限制性实施例。测试
评估沉积物的厚度如下在沉积物制备期间，一旦选择了所有的沉积变量(即机器类型、靶材组成、所施加的強度和气体流量)，则在部分遮盖的硅上进行沉积持续固定的时间。然后通过Dektak型轮廓曲线仪测量在硅的遮盖部分和未遮盖部分之间的厚度变化。重复该操作不同的沉积时间。然后，对于相同的变量设置，使用由线性回归所发现的速率用于选择作为所需厚度的函数的沉积时间。通过覆盖有所谓的Infragold 材料的积分球測量反射率。由要測量其反射率的样品反射给定波长的束(入射角为8° )，然后通过球积分并且通过光谱传感器測量。通过在2. 5-14. 5 u m的波长下扫描可发现平均反射率。通过度量衡组织确定的參照物进行校准。通过将红外反射体暴露于400°C四小时来评估耐温性。反射体外层的任何氧化显示出颜色变化。如果颜色变化对于裸眼是感觉不到的，则通过用分光比色计对比测量将其量化。初始色调和最終色调之间的差别以色度空间CIE 76じal/中的A:和Ab*表示。在本发明的情形中，当A :和Ab*保持低于2吋，认为耐温性是令人满意的。在暴露于400°C 四小时后，还确认了红外反射率未改变。可以通过容易移除红外反射体外层上的碳化元素的可能性表示清洁的容易性。用于评价清洁容易性的系统使得能够对该层的容量量化以再次获得在使用后的其原始外观。用于评价的系统包括以下步骤-用食品混合物(蛋黄、咸牛奶、柠檬汁、调味番茄酱或果酱)局部覆盖表面-在炉中碳化该混合物，将其加热到200°C持续10分钟，升温时间为25分钟-在冷却后，为了尽可能的移除碳化混合物，进行逐步的清洁。一将清洁的容易性评级如下o5 :用干布可清洁表面o4 :用湿润的海绵的软面可清洁表面o3 :用湿润的海绵的耐磨面可清洁表面o2 :用湿润的海绵的软面和DecapYour 型的炉清洁剂可清洁表面oi:用湿润的海绵的耐磨面和Decap’f our 型的炉清洁剂可清洁表面oO :不能清洁表面在本发明的情形中，当对于所有的食品混合物所获得的平均分严格地高于3吋，认为清洁的容易性是令人满意的。通过将红外反射体的外层与Decap，f our 型的炉清洁剂接触，评估了在碱性环境中的耐受性。如果该接触不引起层的任何变化，则认为在碱性环境中的耐受性是令人满意的。通过XPS能谱测量所形成的层中的氮化程度和锆比例。
实施例实施本发明的实施例涉及在Alusi 基材上通过通式为(ZrxCr1J i_yNy的锆和铬的氮化物层的磁控溅射PVD进行的沉积。在10_6毫巴的基础压カ下的真空室中，以已知的量引入氩和氮，这取决于所述室的几何形状。在磁控模式中在基材和ZrxCivx靶材之间产生等离子体，这归因于通过施加360W功率的发生器施加的电势差。将Zr和Cr原子从靶材剥落并且投射到基材上。表I总结了所形成的一些层的特性和所获得的性质。
权利要求
1.ー种由金属性基材构成的红外反射体，其特征在干其涂覆有通式为(ZrxCivx)1INy的锆和铬的氮化物层，其中X为0. 15-0. 7并且y为0. 01-0. 265。
2.如权利要求I所述的红外反射体，其中所述锆和铬的氮化物层的厚度为l_150nm。
3.如权利要求I或2所述的红外反射体，其中所述层具有的锆比例X为0.25-0. 5。
4.如权利要求1-3中任一项所述的红外反射体，其中所述层具有的氮化程度y为0. I-O. 25 o
5.如权利要求1-4中任一项所述的红外反射体,其中所述金属性基材在2.5-14. 5 u m范围内的红外中具有80%-99%的平均反射率。
6.如权利要求5所述的红外反射体，其中所述金属性基材由预先涂覆有铝合金的钢构成,该招合金包含8-11重量％娃和2-4重量％铁,余量由招和因加工所致的不可避免的杂质组成。
7.如权利要求5所述的红外反射体，其中所述金属性基材由预先涂覆有铝层的钢构成，该层的余量由因加工所致的不可避免的杂质组成。
8.如权利要求5所述的红外反射体，其中所述金属性基材由钢构成，该钢预先相继涂覆有包含8-11重量％娃和2-4重量％铁,余量为招和因加工所致的不可避免的杂质组成的铝合金和20-60nm厚度的铝合金层。
9.制造红外反射体的方法，其包括以下步骤 -提供金属性基材 -通过物理气相沉积技术在所述基材上沉积锆和铬的氮化物层，其使用 O靶材，其由15-70重量％锆和余量组成，该余量由铬和因加工所致的不可避免的杂质组成 O以4/16至16/16比例注入氮和中性载体气，同时沉积锆和铬。
10.如权利要求9所述的方法，其中通过磁控溅射进行所述沉积。
11.根据权利要求1-8中任一项所述或根据权利要求9或10的方法获得的红外反射体用于制造腔体内壁的用途。
12.如权利要求11所述的红外反射体的用途，其中所述腔体为烹饪炉。
13.如权利要求11所述的红外反射体的用途，其中所述腔体为汽车排气系统。
全文摘要
本发明主要涉及由涂覆有通式为(ZrxCr1-x)1-yNy(其中x为0.15-0.7并且y为0.01-0.265)的锆和铬的氮化物层的金属性基材构成的红外反射体。本发明还涉及制造该红外反射体的方法。
文档编号F21V7/22GK102656485SQ200980162901
公开日2012年9月5日 申请日期2009年12月17日 优先权日2009年12月17日
发明者C·勒庞, C·普瓦里耶 申请人:安赛乐米塔尔研究与发展有限责任公司