一种碳化钛?碳化钨紫色太阳能选择性吸收涂层及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种碳化钛?碳化钨紫色太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，其中该涂层从底层到表面依次包括吸热体基底，吸收层和减反射层。所述吸收层的材料为碳化钛和碳化钨的复合物，采用双靶共溅射制备，厚度为60~90 nm，该复合物中钨原子百分比为8~15%。所述减反射层为氧化铝，厚度为50~100 nm。本发明制备的涂层在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率为≥0.90，发射率≤0.13；该涂层具有很好的色彩稳定性和抗腐蚀性能。本发明提供的涂层具有高吸收率、低发射率，良好的热稳定性能及耐腐蚀性能等特点。该涂层制备工艺简单、原料来源丰富、价格低廉、操作方便、易于控制，在太阳能热利用和热发电领域具有广阔的实用价值和应用前景。
【专利说明】
一种碳化钛-碳化钨紫色太阳能选择性吸收涂层及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于太阳能热发电和真空镀膜技术领域，涉及一种紫色太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，是目前太阳能热发电的关键技术之一，具体涉及一种碳化钛-碳化钨紫色太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。
【背景技术】
[0002]太阳能光热应用无疑是人类利用太阳能最简单、最直接的有效途径。然而由于太阳光到达地球后能量密度较小而又不连续，给大规模开发利用带来困难。这就要求人们想办法尽量把低品位的太阳能转换成高品位的热能，对太阳能起到富集作用，以便最大限度地加以利用。在一系列众所周知的光热应用技术中，选择性吸收涂层技术是其中的核心技术。
[0003]太阳能选择性吸收涂层性能是提高槽式抛物面聚焦发电效率和减少太阳能热发电成本的重要因素。提高涂层的工作温度，使其工作环境高于400°C可以大大提高太阳能热发电中能量循环的效率及减少热储存的成本，从而达到减少太阳能发电的成本。综合来讲，一种高温太阳能选择性涂层材料本身必须具有光谱选择性和高温稳定性，它们由多层金属陶瓷构成并具有适合的表面结构和多层减反膜。其材料要求具备高的熔点并且抗氧化性好。我国正处于可再生能源开发利用的启动期，风能，光电等能源利用已经获得成就，大力开展光热能源利用，开发太阳能集热管的高温选择性吸收涂层核心技术势在必行。
[0004]近年来，金属陶瓷光谱选择性吸收涂层得到了广泛的研究和应用。如Α1-Α1Ν、Μο-Si02、W-Al203、Cr-Cr203、N1-Al203、Mo-Al203、Cr-Al203、Co-WC、W-N1-Al203、Ag-Al203、Mo-Si3N4、Al-N1-Al 2Ο3、W-N1-YSZ等。意大利 Angelanton1-ENEA公司和德国 Siemens公司已经将Mo-S12和Mo-AhO3体系成功商业化推广。然而，对于金属陶瓷复合体系，由于体系中存在的金属颗粒易在紫色下发生氧化、扩散、团聚等现象，从而造成吸收涂层长期在紫色下服役其光学性能下降，甚至失效。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中的缺点而提供一种碳化钛-碳化钨紫色太阳能选择性吸收涂层，该涂层具有良好的结构稳定性、高吸收率、低发射率、制备工艺简单、原料来源丰富，操作方便。
[0006]本发明的另一目的是提供上述碳化钛-碳化钨紫色太阳能选择性吸收涂层的制备方法。
[0007]为解决本发明的技术问题采用如下技术方案:
一种碳化钛-碳化钨紫色太阳能选择性吸收涂层，从底层到表面依次包括吸热体基底、吸收层和减反射层;所述的吸收层材料为碳化钛和碳化钨的复合物，所述的减反射层材料为氧化铝。
[0008]所述的吸收层厚度为60-90nm。
[0009]所述的吸收层复合物中钨原子百分比为8-15%。
[0010]所述的减反射层厚度为50-100nm。
[0011 ]所述吸热体基底为抛光不锈钢片。
[0012]所述的吸收层该复合物利用双靶共溅射制备，其中碳化钛采用直流磁控溅射方法制备，碳化钨采用射频磁控溅射方法制备;所述的减反射层采用射频磁控溅射方法制备。
[0013]上述碳化钛-碳化钨紫色太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括以下工艺步骤:
(1)吸热体基底的处理:将吸热体基底去除表面附着的杂质后，分别在丙酮和乙醇中分别超声清洗10-20分钟，氮气吹干，真空保存；
(2)吸收层的制备:采用纯度为99.99%的碳化钛和碳化钨作为磁控溅射靶材;采用双靶共溅射方法制备吸收层，其中碳化钛采用直流磁控溅射，碳化钨采用射频磁控溅射方法，将真空室预抽本底真空至1.0*10—6-7.0*10—6 Torr;调整碳化钛靶材的溅射功率密度为6-10W/cm—2，碳化钨靶材的溅射功率密度为2-5 W/cm—2，溅射沉积时氩气的进气量为20-100sccm，开始在吸热体基底上沉积碳化钛和碳化钨的复合物；
(3 )减反射层的制备:吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，控制Al2O3靶材的溅射功率密度在5-10 W/cm—2，溅射沉积时氩气的进气量为20-100 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层。
[0014]本发明的优点在于:本发明的太阳能选择性吸收涂层，以碳化钛和碳化钨复合物为吸收层，氧化铝为减反射层，极大的丰富了碳化钛陶瓷和碳化钨在太阳能产业中的应用。本发明采用碳化钛和碳化钨的复合物作为吸收层，该吸收层表现出一定的光谱选择性，即相对高的吸收率和低的发射率。减反射层氧化铝的沉积极大地提高了该涂层的吸收率。本发明的太阳能选择性涂层由图2可知，该涂层在紫外可见近红外光谱范围内具有低的反射率，在红外光谱范围内具有高的反射率，在大气质量因子AMl.5条件下，吸收率多0.90，发射率<0.13。同时在高真空度下，经长时间高温保温后，涂层的吸收率和发射率没有明显的变化，该涂层具有优异的高温稳定性能。本发明涂层结构简单，从而简化了工艺、操作方便、缩短生产周期、降低成本，本发明在太阳能热利用和热发电领域具有广阔的实用价值和应用前景。
【附图说明】
图1为本发明碳化钛-碳化钨紫色太阳能选择性吸收涂层的结构图；
图2为本发明碳化钛-碳化钨紫色太阳能选择性吸收涂层的反射谱图。
【具体实施方式】
[0015]下面通过具体实施例对本发明的碳化钛-碳化钨紫色太阳能选择性吸收涂层的制备及性能作进一步说明。
[0016]实施例1
一种碳化钛-碳化钨紫色太阳能选择性吸收涂层，从底层到表面依次包括吸热体基底，吸收层和减反射层;吸热体基底为抛光不锈钢片。吸收层材料为碳化钛和碳化钨的复合物，该复合物利用双靶共溅射制备，其中碳化钛采用直流磁控溅射方法制备，碳化钨采用射频磁控溅射方法制备；吸收层复合物的厚度为73 nm，吸收层复合物中钨原子百分比为11.5%。减反射层材料为氧化铝，采用射频磁控溅射方法制备，厚度为63 nm。
[0017]上述碳化钛-碳化钨紫色太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括以下工艺步骤:
(I)吸热体基底的处理:选用抛光不锈钢片作为吸热体基底。使用前用棉球擦拭表面，
除去表面附着的杂质，然后使用抛光不锈钢片分别在丙酮和乙醇溶剂中分别超声清洗15分钟，用氮气吹干，真空保存，待用。
[0018](2)吸收层的制备:采用纯度99.99%碳化钛和碳化钨作为磁控溅射靶材;碳化钛靶材采用直流磁控溅射，碳化钨靶材采用射频磁控溅射方法，利用共溅射方法制备吸收层。将真空室预抽本底真空至2.1*10—6 Torr;调整碳化钛靶材的溅射功率密度为8.7W/cm—2，碳化钨靶材的溅射功率密度为3.2 W/cm—2，溅射沉积时氩气的进气量为35 sccm，开始在吸热体基底上沉积碳化钛和碳化钨的复合物，其厚度为73 nm。
[0019](3)减反射层的制备:吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，控制Al2O3靶材的溅射功率密度在6.1 W/cm—2，溅射沉积时氩气的进气量为35 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为63 nm。
[0020]该太阳能选择性吸收涂层的光学性能如下:在大气质量因子AMl.5条件下，涂层吸收率为0.92，发射率为0.10；在高真空度下，经5000C长时间保温后涂层的吸收率，发射率未发生明显变化。
[0021]实施例2
一种碳化钛-碳化钨紫色太阳能选择性吸收涂层，从底层到表面依次包括吸热体基底，吸收层和减反射层;吸热体基底为抛光不锈钢片。吸收层材料为碳化钛和碳化钨的复合物，该复合物利用双靶共溅射制备，其中碳化钛采用直流磁控溅射方法制备，碳化钨采用射频磁控溅射方法制备；吸收层复合物的厚度为60 nm，吸收层复合物中钨原子百分比为8%。减反射层材料为氧化铝，采用射频磁控溅射方法制备，厚度为100 nm。
[0022]上述碳化钛-碳化钨紫色太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括以下工艺步骤:
(I)吸热体基底的处理:选用抛光不锈钢片作为吸热体基底。使用前用棉球擦拭表面，
除去表面附着的杂质，然后使用不锈钢片分别在丙酮和乙醇溶剂中分别超声清洗10分钟，用氮气吹干，真空保存，待用。
[0023](2)吸收层的制备:采用纯度99.99%碳化钛和碳化钨作为磁控溅射靶材;碳化钛靶材采用直流磁控溅射，碳化钨靶材采用射频磁控溅射方法，利用共溅射方法制备吸收层。将真空室预抽本底真空至1.0*10—6 Torr;调整碳化钛靶材的溅射功率密度为10 W/cm—2，碳化钨靶材的溅射功率密度为2 W/cm—2，溅射沉积时氩气的进气量为100 sccm，开始在吸热体基底上沉积碳化钛和碳化钨的复合物，其厚度为60 nm。
[0024](3)减反射层的制备:吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，控制Al2O3靶材的溅射功率密度在5 W/cm—2，溅射沉积时氩气的进气量为100 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为100 nm。
[0025]该太阳能选择性吸收涂层的光学性能如下:在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为0.90，发射率为0.11;在高真空度下，经500°C长时间保温后涂层的吸收率，发射率未发生明显变化。
[0026]实施例3
一种碳化钛-碳化钨紫色太阳能选择性吸收涂层，从底层到表面依次包括吸热体基底，吸收层和减反射层;吸热体基底为抛光不锈钢片。吸收层材料为碳化钛和碳化钨的复合物，该复合物利用双靶共溅射制备，其中碳化钛采用直流磁控溅射方法制备，碳化钨采用射频磁控溅射方法制备；吸收层复合物的厚度为90 nm，吸收层复合物中锆原子百分比为15%。减反射层材料为氧化铝，采用射频磁控溅射方法制备，厚度为50 nm。
[0027]上述碳化钛-碳化钨紫色太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括以下工艺步骤:
(I)吸热体基底的处理:选用抛光不锈钢片作为吸热体基底。使用前用棉球擦拭表面，
除去表面附着的杂质，然后使用不锈钢片分别在丙酮和乙醇溶剂中分别超声清洗20分钟，用氮气吹干，真空保存，待用。
[0028](2)吸收层的制备:采用纯度99.99%碳化钛和碳化钨作为磁控溅射靶材;碳化钛靶材采用直流磁控溅射，碳化钨靶材采用射频磁控溅射方法，利用共溅射方法制备吸收层。将真空室预抽本底真空至7.0*10—6 Torr;调整碳化钛靶材的溅射功率密度为6.0W/cm—2，碳化钨靶材的溅射功率密度为5W/cm—2，溅射沉积时氩气的进气量为20 sccm，开始在吸热体基底上沉积碳化钛和碳化钨的复合物，其厚度为90 nm;
(3 )减反射层的制备:吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，控制Al2O3靶材的溅射功率密度在10 W/cm—2，溅射沉积时氩气的进气量为20 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为50 nm。
[0029]该太阳能选择性吸收涂层的光学性能如下:在大气质量因子AMl.5条件下，涂层吸收率为0.92，发射率为0.10；在高真空度下，经5000C长时间保温后涂层的吸收率，发射率未发生明显变化。
【主权项】
1.一种碳化钛-碳化钨紫色太阳能选择性吸收涂层，其特征在于:从底层到表面依次包括吸热体基底、吸收层和减反射层;所述的吸收层材料为碳化钛和碳化钨的复合物，所述的减反射层材料为氧化铝。2.根据权利要求1所述的一种碳化钛-碳化钨紫色太阳能选择性吸收涂层，其特征在于:所述的吸收层厚度为60-90 nm03.根据权利要求1或2所述的一种碳化钛-碳化钨紫色太阳能选择性吸收涂层，其特征在于:所述的吸收层复合物中钨原子百分比为8-15%。4.根据权利要求1或2所述的一种碳化钛-碳化钨紫色太阳能选择性吸收涂层，其特征在于:所述的减反射层厚度为50-100 nm05.根据权利要求3所述的一种碳化钛-碳化钨紫色太阳能选择性吸收涂层，其特征在于:所述的减反射层厚度为50-100 nm06.根据权利要求1或5所述的一种碳化钛-碳化钨紫色太阳能选择性吸收涂层，其特征在于:所述吸热体基底为抛光不锈钢片。7.根据权利要求1或5所述的一种碳化钛-碳化钨紫色太阳能选择性吸收涂层，其特征在于:所述的吸收层该复合物利用双靶共溅射制备，其中碳化钛采用直流磁控溅射方法制备，碳化钨采用射频磁控溅射方法制备;所述的减反射层采用射频磁控溅射方法制备。8.根据上述任一权利要求所述的一种碳化钛-碳化钨紫色太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于包括以下工艺步骤: (1)吸热体基底的处理:将吸热体基底去除表面附着的杂质后，在丙酮和乙醇中分别超声清洗10-20分钟，氮气吹干，真空保存； (2)吸收层的制备:采用纯度为99.99%的碳化钛和碳化钨作为磁控溅射靶材;采用双靶共溅射方法制备吸收层，其中碳化钛采用直流磁控溅射，碳化钨采用射频磁控溅射方法，将真空室预抽本底真空至1.0*10—6-7.0*10—6 Torr;调整碳化钛靶材的溅射功率密度为6-10W/cm—2，碳化钨靶材的溅射功率密度为2-5 W/cm—2，溅射沉积时氩气的进气量为20-100sccm，开始在吸热体基底上沉积碳化钛和碳化钨的复合物； (3)减反射层的制备:吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，控制Al2O3靶材的溅射功率密度在5-10 W/cm—2，溅射沉积时氩气的进气量为20-100 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层。
【文档编号】C23C28/04GK106086882SQ201610418110
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月15日 公开号201610418110.9, CN 106086882 A, CN 106086882A, CN 201610418110, CN-A-106086882, CN106086882 A, CN106086882A, CN201610418110, CN201610418110.9
【发明人】高祥虎, 刘刚, 郭志明, 耿庆芬, 马鹏军, 王爱勤
【申请人】中国科学院兰州化学物理研究所