专利名称：一种Cr系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Cr系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(彡IO(TC)向中温应用 (IOO0C -3500C )和高温应用(350°C -500°C )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 Ν -Α1203以及具有成分渐变特征的SS-C/SS(不锈钢)和A1-N/A1等膜系，应用于温度在 200°C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-A1203/Cu、 SS-A1N/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-Al203/Cu体系的特点是MO-A1203吸收层具有成分渐变的多亚层结构，A1203层采用射 频溅射方法，SS-A1N/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°C -500°C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Cr系高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，适 用于高温(30(TC -500°C )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。—种Cr系高温太阳能选择性吸收涂层，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三层涂层构成，中间的第二层涂层为Ag膜，厚度在50 250nm，第二层涂层的上下分别镀制了一层保护涂层，第一保护涂层和第二层保护涂层均为 Cr2O3膜或者Al2O3膜，厚度均在50 IOOnm ；第二层吸收层包括两个亚层结构，两个亚层均 为AlCrN+AlCr膜，第一亚层和第二亚层的厚度均为50 IOOnm ；第三层减反射层为Cr2O3 膜或者Al2O3膜中任何一种组成，厚度均为20 60nm。一种Cr系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，首先在基体上制备第一层红外发射层的第一层 保护涂层，纯金属靶为Cr靶或Al靶，以Ar和仏的混合气体作为溅射气体制备Cr2O3膜或者 Al2O3膜，涂层厚度在50 IOOnm ；然后再利用纯金属靶直流溅射方法，在第一层保护涂层上 制备Ag膜，纯金属靶为Ag靶，以Ar气作为溅射气体制备Ag膜，涂层厚度在50 250nm ； 最后，在Ag膜上制备第三层保护涂层，与制备第一层保护涂层相同；步骤二 在第一层涂层上制备第二层吸收层；采用金属Cr靶和Al靶中频磁控溅射方法，通入Ar和N2的混合气，Ar的流量为 100 140sccm，N2的流量为30 60sccm，在红外反射层上制备第一亚层AlCrN+AlCr膜， 厚度为50 IOOnm ；增加队的流量为40 70SCCm，继续制备第二亚层AlCrN+AlCr膜，厚度为50 IOOnm ；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Cr2O3或者Al2O3膜构成；当由Cr2O3膜构成时采用Cr靶，以Ar气作为溅射气体，通入仏作为反应气体制 备，调节Ar与02流量比为1.5 1 2 1，利用中频磁控溅射方法，制备厚度为20 60nm 的Cr2O3膜；当由Al2O3膜构成时采用Al靶，通入惰性气体Ar作为溅射气体，通入仏作为反 应气体制备，利用中频磁控溅射方法，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一种Cr系高温太阳能选择性吸收涂层由金属红外反射层、 AlCrN+AlCr以及Cr2O3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Cr以及Cr\Al的氮 化物，具有良好的中高温热稳定性。金属红外反射层采用^Vg膜，银元素的发射率非常低，非 常适合作为红外发射层的金属材料，大大降低涂层的发射率。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Cr\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。
图1为本发明一种Cr系高温太阳能选择性吸收涂层剖面示意图。
具体实施例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Cr系高温太阳能选择性吸收涂层，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三层涂层构成，中间的第二层涂层为Ag膜，厚度在50 250nm，为了防止Ag膜被氧化，在这一层的上下分别镀制了一层保护涂层，第一保护涂层和第二层保护涂层均为Cr2O3膜或者Al2O3膜，厚度均在50 IOOnm ；第二层吸收层包括两个 亚层结构，两个亚层均为AlCrN+AlCr膜，第一亚层和第二亚层的厚度均为50 lOOnm，第一 亚层AlCr的体积百分比比第二亚层AlCr的体积百分比大10%，第一亚层AlCr的体积百分 比为20 40%，第二亚层AlCr的体积百分比为10 30% ；第三层减反射层为Cr2O3膜或 者Al2O3膜，任选其一，厚度均为20 60nm。一种Cr系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，基体采用不锈钢，首先在基体上制备第一层红 外发射层的第一层保护涂层，纯金属靶为Cr靶或Al靶，以Ar和仏的混合气体作为溅射气 体制备。溅射前将真空室预抽本底真空至4X 10_3 5X 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3X10—1 4X10^3。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 红外发射层的第一层保护涂层Cr2O3膜或者Al2O3膜，涂层厚度在50 IOOnm ；然后再利用 纯金属靶直流溅射方法，在第一层保护涂层上制备Ag膜，纯金属靶为Ag靶，以Ar气作为溅 射气体制备Ag膜，调整溅射电压为500 600V，溅射电流为8 10A，利用直流溅射方式制 备Ag膜，Ag膜厚度在50 WOnm ；最后，在Ag膜上制备第三层保护涂层，方法与制备第一 层保护涂层相同。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Cr靶和Al靶中频磁控溅射方法，反应气体为N2,首先，将真空室预抽 本底真空至4X10—3 5X10_3Pa，同时然后通入Ar和N2的混合气，Ar的流量为100 140sccm, N2的流量为30 60sccm，调节溅射气压为3 X KT1 4 X KT1Pa,分别开启Cr和 Al靶电源，溅射时，调整Cr靶溅射电压为380 450V，溅射电流为8 10A，A1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AlCrN+AlCr膜，厚度为 50 IOOnm ；增加队的流量为40 70SCCm，继续制备第二亚层AlCrN+AlCr膜，厚度为50 IOOnm ；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Cr2O3或者Al2O3膜构成；当由Cr2O3膜构成时采用Cr靶，溅射前将真空室预抽本底真空至4X10_3 5X 10 ,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3X 10—1 4X KT1Pa,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Cr2O3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4X 10_3 5X 10 ,通入惰性气体Ar作为溅射气体，通入仏作为反应气体制备，调节溅射气压为 3X IO"1 4X IO-1Pa15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Cr系高温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Al靶和纯度为99. 99%的Ag靶，基材使用不锈钢。首先 在基体上制备第一层红外发射层的第一层保护涂层，溅射前将真空室预抽本底真空至 4. 5 X ΙΟ"3 5X10_3Pa，通入惰性气体Ar和仏的混合气体作为溅射气氛，调整溅射距离为 140 150mm，调节溅射气压为3. 5 X IO"1 4X KT1Patj开启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50 IOOnm厚的第一层保护涂层Al2O3 膜，然后开启Ag靶，通入惰性气体Ar，调整溅射电压为550 600V，溅射电流为8 8. 5A, 利用直流溅射方式制备100 150nm厚的红外发射层Ag膜，然后在Ag膜表层再制备一层 一模一样的保护层Al2O3膜；步骤二 在第一层涂层上制备第二层吸收层；采用金属Cr靶和Al靶中频磁控溅射方法，同时通入Ar和N2的混合气，Ar的流 量为110 140sccm，N2的流量为40 60sccm，调节溅射气压为0. 41 0. 42Pa，分别开启 Cr和Al靶电源，调整Cr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，在第一层的保护膜上制备60 SOnm厚的第一亚层 AlCrN+AlCr 膜；调节N2的流量为50 70sccm，继续制备厚度为50 70nm的第二亚层AlCrN+AlCr
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Al靶，溅射前将真空室预抽本底真空至4. 5X 10_3 5父10-^1，同时通入41~、02混合气，调节41~与02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Al2O3膜。本实施例制备的Cr系高温太阳能选择性吸收涂层的性能如下在大气质量因 子AM 1.5条件下，涂层吸收率为95.5%，法向发射率为0.05。进行真空退火处理，在 2X 10-2 真空度下，经400°C真空退火1小时后，涂层吸收率为95%，法向发射率为0. 05, 在2X10_2!^真空度下，经500°C真空退火1小时后，涂层吸收率为94%，法向发射率为 0. 05。
权利要求
1.一种Cr系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三层涂层构成，中间的第二层涂层为Ag膜，厚度在50 250nm， 第二层涂层的上下分别镀制了一层保护涂层，第一保护涂层和第二层保护涂层均为Cr2O3 膜或者Al2O3膜，厚度均在50 IOOnm ；第二层吸收层包括两个亚层结构，两个亚层均为 AlCrN+AlCr膜，第一亚层和第二亚层的厚度均为50 IOOnm ；第三层减反射层为Cr2O3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Cr系高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述的 吸收层的第一亚层AlCr的体积百分比比第二亚层AlCr的体积百分比大10%。
3.根据权利要求1所述的一种Cr系高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述的 吸收层的第一亚层AlCr的体积百分比为20 40%。
4.根据权利要求1所述的一种Cr系高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述的 吸收层的第二亚层AlCr的体积百分比为10 30%。
5.根据权利要求1所述的一种Cr系高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述的 Cr2O3膜是通过如下方法制备得到采用纯金属靶中频磁控溅射方法，纯金属靶为Cr靶，以Ar和O2的混合气体作为溅射 气体制备；溅射前将真空室预抽本底真空至4X 10_3 5X 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3X10—1 4X10—^3 ；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Cr2O3膜。
6.根据权利要求1所述的一种Cr系高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述的 Al2O3膜是通过如下方法制备得到采用纯金属靶中频磁控溅射方法，纯金属靶为Al靶，以Ar和&的混合气体作为溅射 气体制备；溅射前将真空室预抽本底真空至4X 10_3 5X 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3X10—1 4X10—^3 ；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Al2O3膜。
7.根据权利要求1所述的一种Cr系高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述的 Ag膜是通过如下方法制备得到采用纯金属靶直流溅射方法，纯金属靶为Ag靶，以Ar气作为溅射气体，调整溅射电压 为500 600V，溅射电流为8 10A，利用直流溅射方式制备Ag膜。
8.根据权利要求1所述的一种Cr系高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述的 AlCrN+AlCr膜是通过如下方法制备得到采用金属Cr靶和Al靶中频磁控溅射方法，反应气体为队，首先，将真空室预抽本底真 空至4 X Kr3 5 X l(T3Pa，同时然后通入Ar和N2的混合气，Ar的流量为100 140sccm， N2的流量为30 60SCCm，调节溅射气压为3X 10—1 4X KT1Pa,分别开启Cr和Al靶电源， 溅射时，调整Cr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AlCrN+AlCr膜；增加队的流量，制备第二亚层 AlCrN+AlCr 膜。
9. 一种Cr系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，首先在基体上制备第一层红外发射层的第一层保护 涂层，纯金属靶为Cr靶或Al靶，以Ar和仏的混合气体作为溅射气体制备Cr2O3膜或者Al2O3 膜，涂层厚度在50 IOOnm ；然后再利用纯金属靶直流溅射方法，在第一层保护涂层上制备 Ag膜，纯金属靶为Ag靶，以Ar气作为溅射气体制备Ag膜，涂层厚度在50 250nm ；最后， 在Ag膜上制备第三层保护涂层，与制备第一层保护涂层相同； 步骤二 在第一层涂层上制备第二层吸收层；采用金属Cr靶和Al靶中频磁控溅射方法，通入Ar和队的混合气，Ar的流量为100 140sccm, N2的流量为30 60sCCm，在红外反射层上制备第一亚层AlCrN+AlCr膜，厚度为 50 IOOnm ；增加N2的流量为40 70sccm，继续制备第二亚层AlCrN+AlCr膜，厚度为50 IOOnm ； 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Cr2O3或者Al2O3膜构成；当由Cr2O3膜构成时采用Cr靶，以Ar气作为溅射气体，通入O2作为反应气体制备，调 节Ar与&流量比为1. 5 1 2 1，利用中频磁控溅射方法，制备厚度为20 60nm的 Cr2O3 膜；当由Al2O3膜构成时采用Al靶，通入惰性气体Ar作为溅射气体，通入仏作为反应气 体制备，利用中频磁控溅射方法，制备厚度为20 60nm的Al2O3膜。
全文摘要
本发明公开了一种Cr系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三层膜构成，中间的红外反射层为Ag膜，这一层的上下分别镀制了一层保护膜，保护膜为Cr2O3或者Al2O3膜中的任何一种；第二层吸收层包括两个亚层结构，均为AlCrN+AlCr膜，第一亚层AlCr的体积百分比大于第二亚层AlCr的体积百分比；第三层减反射层由Cr2O3膜或者Al2O3膜中任何一种组成。采用纯金属靶直流磁控溅射方法在基体表面制备红外发射层，采用金属Cr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。
文档编号B32B15/00GK102102918SQ201110038
公开日2011年6月22日 申请日期2011年2月16日 优先权日2011年2月16日
发明者刘雪莲, 卢铁军, 张秀廷, 王静, 范兵, 陈步亮 申请人:北京天瑞星真空技术开发有限公司