专利名称：一种中高温太阳能选择性吸收涂层的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能光热利用技术领域，具体涉及一种在中高温条件下使用的选择性吸收涂层。
背景技术：
为了提高光热转换效率，使得光热转换技术能够成为新能源技术新的亮点，需要研究和开发选择性吸收涂层。这种涂层要求在太阳光谱所在的可见-近红外波段具有很高的吸收率，而在热辐射所在的中远红外波段要求具有很高的反射率。太阳光谱性选择性吸收涂层是高效太阳能光热应用的关键。随着太阳能热利用的不断发展，太阳能集热器从低温应用(小于100°c )向中温应用(100°C -4000C )和高温应用(400°C -600°C )发展，以满足热发电等应用领域的需要。也只有把工作温度向高温扩展，太阳能光热转换技术才能成为一种有竞争力的新能源形式。当前，主流的太阳能选择性吸收表面涂层的吸收层都是应用金属陶瓷材料(金属-介电材料复合物)来作为太阳能吸收材料。金属陶瓷材料的结构特征为金属纳米颗粒弥散在介质材料中。在控制了一定的厚度和金属的体积百分比之后，此种材料在太阳能辐射区域表现为强烈的吸收而对热辐射波段则基本为透明。如该材料沉积在红外波段高反射金属涂层表面就形成了一个太阳能选择性吸收表面涂层体系。现在所用的复合材料体系不具备高温应用条件下的稳定性，故只能在低温或者中温时使用。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-Al203/Cu, SS-AlN/SS等材料体系得到了研究和发展。本发明从材料的本征特性出发，提出了吸收层使用NiCrAl-Zr02金属陶瓷材料体系，通过光学设计将传统的双层金属陶瓷结构简化为单层。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能选择性吸收涂层材料体系，适用于中高温工作温度的太阳能集热器。涂层在高温下吸收率高、发射率低、热稳定性好，制备工艺简单，适合大规模生产。本发明涉及的中高温选择性吸收涂层，由基底至表面依次设有四层薄膜组成，每一层膜的特征如下合金红外高反射层由NiCr合金靶材和Al靶材溅射而成，Ni 70% -90%, Cr 5% -15%, Al 5% -15%，其厚度范围为 200-600nm。抗扩散层为Al2O3,由Al单质靶材反应溅射而成，其厚度范围为20_60nm。吸收层为单层金属陶瓷结构，其材料为M-ZrO2(M为NiCrAl金属纳米颗粒)金属陶瓷材料。金属纳米颗粒的体积分数为15%-50%，厚度为20-60nm。吸收层采用金属和ZrO2交替沉积多亚层的方式制备。其中金属采用NiCrAl合金靶材直流溅射的方式制备，而ZrO2使用射频溅射的方式来制备。NiCrAl靶材Cr质量含量为5% -20%，Al质量含量为5% -20%，余量 Ni。
减反射层为Al2O3,由Al2O3单质靶材反应溅射而成，其厚度范围为厚度为50_100nm。 基底为镇基1 温合金或者不镑钢。本发明涉及利用磁控溅射制备的、能在中高温(> 400°C )稳定工作的太阳能选择性吸收涂层。包括合金金属红外高反射层、扩散阻挡层、选择性吸收层及减反射层。其中合金反射层为NiCrAl合金；扩散阻挡层材料为Al2O3 ;吸收层材料为NiCrAl合金纳米颗粒和ZrO2混合而成的金属陶瓷；减反射层材料为Al2O315与常见的太阳能选择性吸收涂层的双亚层金属陶瓷结构不同，本发明所涉及的涂层仅包含单层金属陶瓷，结构简单；氧化铝层既不但有抗扩散、抗氧化的功能，还可以通过光干涉效应达到增强吸收的效果。在大气质量因子AMl. 5条件下，本涂层吸收率> 93%,600°C发射率< 13%，该涂层具有良好的热稳定性，可长期在600°C内的真空环境下使用。本发明在太阳能热利用领域具有重要的实用价值和广阔的应用前景。
图1太阳光谱选择性吸收涂层结构示意图。
具体实施例方式以下实施例为本发明的具体实施方式
，仅用于说明本发明，而非用于限制本发明。实施例1:结合图1所示的涂层剖面层，涂层制备工艺流程为(1)对基材表面进行抛光、去污和清洗，置于磁控溅射设备之中；(2)使用磁控溅射系统，选用99. 9%的NiCrAl (Ni87. 9Cr5. 5A16. 4)靶材、99. 99% 的 Al2O3 靶材和 99. 99% 的 ZrO2 靶材。基体使用不锈钢。沉积开始前，将真空室本底真空抽至4X10_4Pa。(3)调节Ar流量至溅射气压O.1Pa，开启NiCrAl靶的直流溅射电源，调节电压至400V，电流O. 1A，制备280nm厚的NiCrAl合金红外高反射层。(4)充入工作气体Ar，调节流量使得真空度稳定于溅射气压O.1Pa0开启Al2O3靶的射频溅射电源，调节功率至500W，电压为2000V，对Al2O3进行射频溅射，制备了 45nm厚的Al2O3抗扩散层。(5)充入工作气体Ar，调节流量使得真空度稳定于溅射气压O.1Pa。开启ZrO2靶的射频溅射电源，调节功率至500W，电压为2000V，对ZrO2进行反应溅射；开启NiCrAl靶的直流溅射电源，调节电压至400V，电流O. 1A，对NiCrAl进行直流溅射。利用基底的公转，依次通过两个祀材上方，从而沉积成M/Zr02交替的亚层结构(M = NiCrAl)。通过调节基体公转的速度，调节每个周期中M的厚度为3nm，ZrO2的厚度为7nm。吸收层的总厚度为30nm(6)充入工作气体Ar，调节流量使得真空度稳定于溅射气压O.1Pa0开启Al2O3靶的射频溅射电源，调节功率至500W，电压为2000V，对Al2O3进行射频溅射，制备了 75nm厚的Al2O3减反射层。制备完成之后，使用Lamada950分光光度计测试在太阳光谱范围内(O. 3_3um)的反射率谱线，经过计算得到本实施例涂层的吸收比为91. 3% ;通过TJ270-300红外分光光度计测试红外波段(2. 5-25um)本涂层的反射率比值，计算得到涂层的半球发射率为4. 21% (80 0C ),9.41% (450 °C )。使用 XPS (型号PH1-5400)深度剖析得到所溅射的 NiCrAl合金比例为Ni88. 5-Cr 5. 7_A1_5. 6。大气状态下，450°C下48小时恒温处理，涂层完好，吸收率和发射率无变化。从本实施例可以看到，本发明所涉及的太阳能涂层具有高吸收比和低发射率。而本涂层体系每层的热膨胀系数差距不大。NiCrAl合金在高温下的氧化行为是Al元素扩散至界面处优先氧化生成氧化铝。这就为薄膜本体提供了保护，而且生成的氧化铝还能修复热循环导致的裂纹，阻止氧在涂层中的进一步扩散。这种机制就使得本涂层拥有非常好的热稳定性。本涂层的材料体系简单，对制备的控制精度要求不高，单层系统膜厚控制误差达到6 %，光谱响应仍然没有明显的改变，易于组织大规模生产。
权利要求
1.一种中高温太阳能选择性吸收涂层，沉积在基底上，从基底表面向上依次由合金红外高反射层、抗扩散层、吸收层和减反射层组成，其特征在于吸收层为金属陶瓷吸收层，所述金属陶瓷吸收层可表示为NiCrAl-Zr02，金属陶瓷吸收层由NiCrAl合金纳米颗粒和Zr02组成。
2.根据权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于所述的合金红外高反射层为NiCrAl合金薄膜层，其重量成分组成为Ni 70% -90%, Cr 5% -15%, Al 5% -15%，其厚度范围为200-600nm。
3.根据权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于所述的抗扩散层为Al2O3薄膜层，其厚度范围为20-60nm。
4.根据权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于所述的金属陶瓷吸收层为单层金属陶瓷，金属纳米颗粒镶嵌于Zr02陶瓷之中，其NiCrAl金属纳米颗粒的体积分数为15 % -50 %，NiCrAl靶材Cr质量含量为5 % -20 %，Al质量含量为5 % -20 %，余量Ni ；厚度为20-60nm。
5.根据权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于所述的减反射层为Al2O3薄膜层，厚度为50-100nm。
6.根据权利要求1或4所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于所述金属陶瓷吸收层采用的金属制备靶材为NiCrAl合金靶材，NiCrAl靶材Cr质量含量为5% -20% ,Al质量含量为5% -20%，余量Ni。
7.根据权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于涂层所使用的基底为镍基高温合金材料或者不锈钢材料。
全文摘要
本发明涉及一种利用磁控溅射制备的、能在中高温(＞400℃)稳定工作的太阳能选择性吸收涂层。包括合金金属红外高反射层、扩散阻挡层、选择性吸收层及减反射层。与常见的太阳能选择性吸收涂层的双亚层金属陶瓷结构不同，本发明所涉及的涂层仅包含单层金属陶瓷，结构简单；氧化铝层既不但有抗扩散、抗氧化的功能，还可以通过光干涉效应达到增强吸收的效果。在大气质量因子AM1.5条件下，本涂层吸收率≥93％，600℃发射率≤13％，该涂层具有良好的热稳定性，可长期在600℃内的真空环境下使用。本发明在太阳能热利用领域具有重要的实用价值和广阔的应用前景。
文档编号B32B9/04GK103029365SQ20111030049
公开日2013年4月10日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年9月30日
发明者邓淞文, 李刚, 孙龙 申请人:中国科学院大连化学物理研究所