技术领域本发明涉及涂层制备技术领域，特别是涉及制备应用于大气环境下的高温太阳能选择性吸收涂层，具体是一种制备太阳能选择性吸收涂层的新工艺。
背景技术：
能源危机是目前人类生存所面临的严重危机之一。与众多化石能源相比，太阳能可以近似看作一种取之不尽用之不竭的清洁能源。太阳能源于太阳内部的热核反应，氢是反应材料，由于在太阳内部深处的极高温度和上面各层存在的巨大压力，发生了氢变为氦的热核聚变反应，反应过程中亏损的质量便转化成了能量向空间辐射。而人类所使用的化石燃料，其能量从根本上讲也来自太阳能。据统计，与目前人类所能开发的核能、地热等能量相比，地球所截取的太阳辐射能总量较其总储量大5000多倍。而地球每年接受的太阳能总量则是已探明原油储量的近千倍，是世界年耗总能量的一万余倍。因而太阳能应用是一个很有潜力的研究。但是，在利用集热器吸收太阳能时，入射太阳光的能量在集热器表面会有反射损失、传导和对流损失、辐射损失。剩余部分才是能为传热媒质带走而得到利用的有效部分。因此，为了最大限度地利用入射太阳光的能量，就必须尽量抑制这些热损失。对于传导和对流损失，可以通过在吸热面表面加盖透明盖板，使用透明隔热材料或使用真空管集热器等方法来降低这方面的热损失。对于抑制表面的反射损失和辐射损失，则是利用光谱选择性吸收涂层来实现。当辐射的能量投射到物体表面时，同时会发生吸收、反射和透射现象。对同一波长的光波而言，材料的吸收率和发射率相等，即吸收率高则相应地发射率也高。但吸收率α与反射率r及透射率t会遵从关系式：α+r+t=1。对于不透明材料而言，由于t=0，则α+r=1。而对于黑色物体来说，r≈0，则α≈l。将这一要求指标化，就是需要高的吸收率（α）和低的发射率（ε）。根据以上讨论，可知在表面上制备太阳能选择性吸收涂层是一个理想的方法。然而，太阳能的分布并不均匀，其光辐射能量主要分布在波长λ为0.3~2.5μm的光谱区内，也就是说太阳辐射能主要分布在可见光和近红外区。而物体受热发生黑体辐射的能量主要分布在波长为2~100μm的光谱区中，也就是主要在远红外区。因此，最有效的太阳能选择性吸收涂层是在太阳光谱范围内，即λ<2.5μm，有α≈1(即r≈0)；而在λ>2.5μm，即热辐射波长范围内，有ε≈0(即r≈1或α≈0)。但在实际制备涂层时，当α达到某一数值后，要想进一步增大α，ε也会随之增大。而且，有时ε增加的值大于α增加的值，故研究中经常应用α与ε的比值(α/ε)来表征涂层选择性的高低。在太阳能选择性吸收涂层的实际应用中，还要考虑环境因素对其性能的影响，例如温度、湿度、酸碱度等因素都可能使涂层的性能受影响。太阳能选择性吸收涂层的研究始于上个世纪中叶。之前的太阳能集热器一直使用黑板漆和无光黑漆作为吸收涂层，这种涂层没有选择性。直到1954年，在第一次世界太阳能大会上以色列专家泰勒和美国专家吉尔顿柯尔论证了制作高吸收率和低发射率的选择性涂层表面的可能性，并且分别提出黑镍和黑铬两种表面涂层。之后，澳大利亚、以色列、德国、日本等国都投入巨资进行相关研究，开发出一系列的选择性吸收涂层。其中，澳大利亚悉尼大学研究出涂层的3层结构被认为是一种经典结构，已被普遍采用。这种结构里层是亮金属反射层，中间是太阳能吸收层，外层是减反射层。日本科学家设计出了在铝做基板，上面覆盖有机树脂的涂层。Pathkar则在玻璃衬底上沉积黑钴。Reis提出在钴基体上涂覆黑镍、电镀黑镍等涂层。Kalleder采用溶胶—凝胶法从一种可水解、可缩聚的化合物中制取含碳母体用作涂层材料。从上个世纪70年代末，我国逐渐开展太阳能利用方面的研究。清华大学、北京市太阳能研究所、辽宁省能源研究所、中国科学院上海硅酸所、北京有色金属研究总院等单位和一些太阳能企业开始研究开发选择性吸收涂层，先后研制出硫化铅/沥青漆涂层、黑铬涂层、黑钴涂层、铝氮氧渐变型选择性吸收涂层。之后，清华大学在氩气中采用磁控溅射工艺制备出Al-N、Al-N-O涂层；上海硅酸盐研究所提出以有机材料、玻璃及金属为基板的黑铝涂层；李守祥研制了采用O、N共同参与的铝阴极反应的涂层；沈阳台阳太阳能公司研制并应用了表层为铝—氮膜，吸收层为铝—碳膜的涂层；张云山提出了由吸热材料和粘结剂组成的涂料型涂层；青岛建工学院发明了一种由吸光剂、粘结剂、溶剂和助剂组成的涂层；李先航提出了金属陶瓷型涂层。目前世界上一般用316L不锈钢管作为选择性吸收涂层的基底材料。采用澳大利亚悉尼大学提出的3层结构涂层。位于薄膜最底层（紧邻基底材料）的是红外反射层，目前这一层所用的材料主要包括Al、Cr、Cu、Au、Ni、Ti、Ag、Mo、W等，可以满足较高的红外反射率（低的发射率），高温下具有较高的抗氧化和抗扩散能力，同时与基底材料具有良好的结合力的要求。中间层是吸收层，如金属陶瓷等，在太阳光谱0.3-2.5μm波段具有较低反射率（高的吸收率），而在高于2.5μm的红外波段具有高的反射率（低的发射率）。最上面的是减反射层，最常用的是单层SiO2或Al2O3薄膜。它位于涂层结构的最外层，紧邻空气，主要作用是降低太阳能光谱的反射率，从而实现最大限度的太阳能吸收率。瑞典科学家用溶胶凝胶法制备SiO2减反层，使涂层的吸收率从0.79~0.81提高到0.93，发射率为0.03。但是以上涂层的制备方法复杂，生产环境要求高，生产效率低且周期较长，投入成本较高。因此，针对以上的不足，探索开发出简单实用，生产效率高，且所制得涂层吸收性能良好的工艺流程是一项具有广阔应用前景的工作。
技术实现要素：
本发明的目的是为了提供一种可应用于大气环境下中高温太阳能选择性吸收涂层的新型制备工艺。技术特点在于利用超音速火焰喷涂制备可在高温大气环境中长期服役的太阳能选择性吸收涂层，并利用激光表面处理技术及机械抛光技术减少表面孔洞，提高涂层致密性并降低涂层表面粗糙度，从而获得吸收率高，红外发射率低的太阳能选择性吸收涂层。该工艺具有成本低廉，操作简单，所制成得涂层选择性吸收性能高，涂层稳定，抗热冲击能力强等优点。本发明是采用以下技术方案实现的：一种制备用于大气环境下高温太阳能选择性吸收涂层的新工艺，所采用的基体材料经过表面均匀粗化处理；所述工艺包括如下步骤：造粉→超音速火焰喷涂→激光表面处理→去应力退火→机械抛光：所述造粉步骤采用喷雾干燥法制备复合粉末，原材料为金属粉末和WC粉末的混合物，干燥塔内温度要维持在280-300○C之间，造粉完成后复合粉末呈均匀实心球状，粒径平均大小在400目到600目之间；对基体材料进行超音速火焰喷涂步骤中，丙烷做燃气，氧气做助燃气体，压缩空气做载气；丙烷压力在0.5MPa，流速为20-30L/min；氧气压力为0.6-0.7MPa，流速为50-60L/min，压缩空气压力为0.6MPa，送粉量为25±3g/min，制得的涂层厚度控制在20-30μm范围；当喷涂完成后，将涂层缓慢冷却至室温，进行激光表面处理步骤；选用波长在可见-近红外波段的固体或半导体脉冲激光对涂层进行表面处理，激光功率为100-130W，脉宽为2ms，扫描速度为4-5mm/s；在激光表面处理后进行600○C，3h的去应力退火处理；然后进行机械抛光，得到用于大气环境下高温太阳能选择性吸收涂层。进一步的，所述金属粉末包括Co粉和Mo粉，所述Co粉、WC粉和Mo粉的质量百分含量分别为72%，8%，20%；制备成复合粉末后的颗粒度在400目到600目之间。进一步的，所述金属粉末为Co粉，Co粉与WC粉的质量百分含量分别为80%和20%；制备成复合粉末后的颗粒度在400目到700目之间。本发明所述工艺主要用于制备能够在大气环境高温（≥500○C）条件下应用的太阳能选择性吸收涂层，该工艺选用耐高温性能、耐腐蚀性能和抗氧化性能优良的Co、Mo、WC作为选择性吸收涂层材料，可以保证涂层优良的选择吸收性能（吸收率ɑ≥0.80，发射率ε≤0.30），在500○C以上高温环境可长期服役，耐腐蚀，抗氧化，组织性能稳定，服役时间长的特点。进一步的，基体材料选用精抛不锈钢，利用压力为0.3~0.4MPa的纯净压缩空气将120目的棕刚玉砂以70~80°攻角高速喷射到不锈钢表面，使其表面均匀粗化。进一步的，机械抛光分为粗抛和精抛两步；涂层在粗抛后表面粗糙度Ra≤2μm，精抛后表面粗糙度Ra≤0.6μm。进一步的，经超音速火焰喷涂制备的涂层，应先进行表面清洁，去除残粉，之后再进行激光表面处理；激光表面处理过程中应将涂层置于纯净水中进行强制冷却，纯净水水温应在10~30○C之间。进一步的，还包括机械抛光后的清洗步骤；清洗时使用有机溶剂，在超声清洗机中进行不短于20min的超声清洗，清洗在结束机械抛光后1h内进行；所述有机溶剂为丙酮。本工艺可以用来制备含有Co、Mo、W、WC等高熔点材料的太阳能选择性吸收涂层，如Co-AlN、Mo-WC、Co-W-WC、Co-Mo-WC等涂层。这种工艺与现有制备工艺相比，具有成本低廉，操作简单，涂层粉末选择范围广泛，与基材粘附强度牢固，尺寸厚度与均匀性可控，涂层工艺技术不受工件的尺寸限制，制成涂层选择性吸收性能高，涂层稳定，抗热冲击能力强等优点。附图说明图1为本发明工艺制备得到的太阳能选择性吸收涂层的工艺流程图。具体实施方式为更好地理解本发明，下面再结合两个具体的实施例对本发明工艺做进一步地阐述。但本发明所要求保护的技术方案并不仅仅局限于下面的实施例。实施例1利用本工艺制备Co-Mo-WC高温太阳能选择性吸收涂层：将Co粉、WC粉和Mo粉制备的料浆混合均匀，其百分含量分别为72%，8%，20%，按喷雾干燥法制备复合粉末，颗粒度在400目到600目之间（可选择400、450、500、550、600目），干燥塔内温度要维持在280-300○C（可选择280○C、285○C、290、295○C、300○C）之间。金属基体材料选择307精抛不锈钢，并利用压力为0.3-0.4MPa的纯净压缩空气将120目的棕刚玉砂以70~80°攻角高速喷射到不锈钢表面，使其表面均匀粗化。粗化完成后，利用同样的纯净压缩空气将残余砂砾吹净。采用超音速火焰喷涂的方法，丙烷做燃气，氧气做助燃气体，压缩空气做载气。其中，丙烷压力在0.5MPa，流速为20-30L/min。氧气压力应高于所选丙烷压力0.1-0.2MPa，流速为50-60L/min，压缩空气压强为0.6MPa，送粉量为25±3g/min。制得的涂层厚度应控制在20-30μm范围。经超音速火焰喷涂制备的涂层，进行表面清洁。当喷涂完成后，将涂层缓慢冷却至室温，选用波长在可见-近红外波段的固体或半导体脉冲激光进行表面处理。激光功率为100-130W（100W、110W、120W、130W），脉宽为2ms，扫描速度为4-5mm/s。在处理过程中将涂层置于纯净水中进行强制冷却，纯净水水温20○C左右。在激光表面处理后进行600○C，3h的去应力退火处理。去应力退火后应进行机械抛光处理，机械抛光分为粗抛和精抛两步进行。涂层在粗抛后表面粗糙度Ra≤2μm，精抛后表面粗糙度Ra≤0.6μm。涂层在结束抛光后1h内使用丙酮等有机溶剂，在超声清洗机中进行不短于20min的超声清洗。制得的Co-Mo-WC高温太阳能选择性吸收涂层的光谱吸收性能测试结果表明本项目制备的太阳能选择性吸收涂层拥有优良的太阳能光谱选择吸收性能，测试结果如表1所示：实施例2利用本工艺制备Co-WC高温太阳能选择性吸收涂层：将Co粉、WC粉备的料浆混合均匀，其百分含量分别为80%，20%，按喷雾干燥法制备复合粉末，颗粒度在400目到700目之间（可选择400、450、500、650、700目），干燥塔内温度要维持在280-300○C（可选择280○C、285○C、290、295○C、300○C）之间。金属基体材料选择307精抛不锈钢，并利用压力为0.3-0.4MPa的纯净压缩空气将120目的棕刚玉砂以70~80°攻角高速喷射到不锈钢表面，使其表面均匀粗化。粗化完成后，利用同样的纯净压缩空气将残余砂砾吹净。采用超音速火焰喷涂的方法，丙烷做燃气，氧气做助燃气体，压缩空气做载气。其中，丙烷压力在0.5MPa，流速为20-30L/min。氧气压力应高于所选丙烷压力0.1-0.2MPa，流速为50-60L/min，压缩空气压强为0.6MPa，送粉量为25±3g/min。制得的涂层厚度应控制在20-30μm范围。经超音速火焰喷涂制备的涂层，进行表面清洁。当喷涂完成后，将涂层缓慢冷却至室温，选用波长在可见-近红外波段的固体或半导体脉冲激光进行表面处理。激光功率为100-130W（100W、110W、120W、130W），脉宽为2ms，扫描速度为4-5mm/s。在处理过程中将涂层置于纯净水中进行强制冷却，纯净水水温20○C左右。在激光表面处理后进行600○C，3h的去应力退火处理。去应力退火后应进行机械抛光处理，机械抛光分为粗抛和精抛两步进行。涂层在粗抛后表面粗糙度Ra≤2μm，精抛后表面粗糙度Ra≤0.6μm。涂层在结束抛光后1h内使用丙酮等有机溶剂，在超声清洗机中进行不短于20min的超声清洗。制得的Co-WC高温太阳能选择性吸收涂层的光谱吸收性能测试结果表明本项目制备的太阳能选择性吸收涂层拥有优良的太阳能光谱选择吸收性能，测试结果如表2所示：