一种中高温太阳选择性吸收复合涂层及其制备方法与流程

本发明属于太阳能光热利用领域，具体涉及一种中高温太阳选择性吸收复合涂层及其制备方法。

背景技术：

随着社会经济的发展，化石能源被大量消耗，能源危机日益严重，各国研究者对太阳能光热利用的研究越来越深入。太阳能集热器是太阳能光热利用最核心的部件之一，而集热器上的太阳光谱选择性涂层又是太阳能光热转换中最为关键的部分。性能优异的太阳选择性吸收涂层在可见-近红外波段(0.3～2.5μm)具有较高的吸收率，而在中-远红外波段(2.5～25μm)具有低发射率，涂层的吸收率与发射率直接影响了太阳能集热器的效率。

随着太阳能光热利用的不断发展，太阳能光热利用的逐渐从低温领域(<100℃)向高温领域(>500℃)发展。在我国，太阳能光热利用的仍然集中在中低温领域，远远不能满足社会发展对太阳能光热利用的需求。实现太阳能中高温领域光热利用的关键是研制出能够在中高温环境下选择性吸收能力稳定的太阳选择性吸收涂层。

目前，国内对于太阳能热利用的研究逐渐增多，已经可以采用各种制备工艺制备太阳能选择性吸收涂层，主要有磁控溅射、涂料涂覆、电镀、化学镀等方法。磁控溅射工艺先进，制备薄膜速度快、薄膜致密、均匀、性能优异，但成本昂贵，工艺要求很高；涂料法最为方便，制备工艺简单，成本低廉，但是光学选择性并不优异，耐受温度有限；电镀法和化学镀对环境污染大，同时镀层结合力及高温稳定性也较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种太阳选择性吸收复合涂层及其制备方法，该涂层具有较好的光谱选择性，在中高温工况下性能稳定几乎不退化。

实现本发明目的的技术方案为：一种中高温太阳选择性吸收复合涂层，包括由内到外4层结构，分别为基底、红外反射层、选择性吸收层和减反射层；

所述基底为不锈钢基片，红外反射层为金属薄膜，选择性吸收层为cucomnox尖晶石薄膜，减反射层为sio2或tio2薄膜。

一种制备中高温太阳选择性吸收复合涂层的方法，包括以下步骤：

步骤1，cucomnox前驱体溶液a的制备：以cu、co和mn的金属盐为原料，乙醇为溶剂，按照金属离子按照摩尔比例co:cu:mn＝1:3:3溶解到乙醇中，磁力搅拌直到完全溶解；

将一水合柠檬酸作为螯合剂加入到溶液中，磁力搅拌；

将聚乙二醇200作为脂化剂加入到溶液中，磁力搅拌；

最后将1w％的羟丙基纤维素作为成膜助剂加入溶液中，磁力搅拌直至完全溶解，得到cucomnox前驱体溶液a；

步骤2，减反射层溶胶b的制备：将正硅酸乙酯或钛酸丁酯加入到乙醇中，混合均匀后滴加含有hcl的水溶液，混合后ph值为2-3，密闭磁力搅拌至完全水解，陈化后得到sio2或tio2溶胶；

步骤3，通过磁控溅射的方法，在洗净的基底上沉积一层金属薄膜。

步骤4，将沉积了金属薄膜的基底浸渍到步骤1制备的溶液a中，经提拉镀膜、烘干、热处理后制备出选择性吸收层；

步骤5，将步骤4制备的涂层浸渍到步骤2制备的溶液b中，经提拉镀膜、烘干、热处理后制备出减反射层，完成太阳选择性吸收复合涂层的制备。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：

(1)本发明采用具有高红外反射特性的耐高温金属薄膜作为红外反射层，不但提高了涂层的红外反射率和热稳定性，而且可以提高选择性吸收层与基底结合程度，阻止材料之间的扩散；

(2)本发明采用尖晶石结构的cucomnox复合氧化物作为选择性吸收层，不仅具备较高的选择性吸收能力，同时具备良好的稳定性，在500℃中高温下涂层成分不会发生变化；

(3)本发明在选择性吸收层外增加了sio2或tio2减反射层，不仅提高了吸收率，同时也可以对吸收层起到封孔作用，提高了太阳能选择性吸收涂层的整体抗腐蚀性能；

(4)本发明提供的太阳选择性吸收复合涂层在可见-近红外波段(0.3～2.5μm)具有较高的吸收率，而在中-远红外波段(2.5～25μm)具有低发射率，具备良好的耐高温和耐腐蚀能力，可以在中高温环境下稳定工作，同时制备工艺简单、成本低廉。

附图说明

图1是本发明中高温太阳选择性吸收复合涂层结构图。

图2是本发明中高温太阳选择性吸收复合涂层制备方法流程图。

图3是本发明中高温太阳选择性吸收复合涂层光谱反射率图。

图4是本发明中高温太阳选择性吸收复合涂层表面sem扫描电镜图。

具体实施方式

结合图1，一种中高温太阳选择性吸收复合涂层，包括由内到外4层结构，分别为基底、红外反射层、选择性吸收层和减反射层；

所述基底为不锈钢基片，红外反射层为金属薄膜，选择性吸收层为cucomnox尖晶石薄膜，减反射层为sio2或tio2薄膜。所述红外反射层采用磁控溅射法制备，选择性吸收层和减反射层均采用溶胶-凝胶法制备。

进一步的，红外反射层的金属薄膜厚度为100～200nm。

进一步的，红外反射层采用ti或w，通过磁控溅射的方法将金属材料沉积到基底上，形成一层金属薄膜，反射率为90％以上，耐500℃以上高温。

结合图2，一种制备上述中高温太阳选择性吸收复合涂层的方法，包括以下步骤：

步骤1，cucomnox前驱体溶液a的制备：以cu、co和mn的金属盐为原料，乙醇为溶剂，按照金属离子按照摩尔比例co:cu:mn＝1:3:3溶解到乙醇中，磁力搅拌直到完全溶解；

将一水合柠檬酸作为螯合剂加入到溶液中，磁力搅拌；

将聚乙二醇200作为脂化剂加入到溶液中，磁力搅拌；

最后将1w％的羟丙基纤维素作为成膜助剂加入溶液中，磁力搅拌直至完全溶解，得到cucomnox前驱体溶液a；

步骤2，减反射层溶胶b的制备：将正硅酸乙酯或钛酸丁酯加入到乙醇中，混合均匀后滴加含有hcl的水溶液，混合后ph值为2-3，密闭磁力搅拌至完全水解，陈化后得到sio2或tio2溶胶；

步骤3，通过磁控溅射的方法，在洗净的基底上沉积一层金属薄膜。

步骤4，将上述步骤3的基底浸渍到步骤1制备的溶液a中，经提拉镀膜、烘干、热处理后制备出选择性吸收层；

步骤5，将上述步骤4的涂层浸渍到步骤2制备的溶液b中，经提拉镀膜、烘干、热处理后制备出减反射层，最终完成太阳选择性吸收复合涂层的制备。

进一步的，步骤1中所述一水合柠檬酸的量为金属离子总量的0.8～1.2倍，聚乙二醇200量为金属离子总量的0.8～1.2倍。

进一步的，步骤1中将一水合柠檬酸作为螯合剂加入到溶液中，磁力搅拌0.5～1.5小时；将聚乙二醇200作为脂化剂加入到溶液中，磁力搅拌0.5～1.5小时。

进一步的，步骤2中陈化24h～72h后得到sio2或tio2溶胶。

进一步的，步骤3中磁控溅射气氛为氩气，射频功率为100w，沉积金属薄膜厚度为100～200nm。

进一步的，步骤4具体为：

将步骤3得到的基底浸渍到步骤1制备的溶液a中，以10mm/min的速度提拉镀膜，80℃烘干20min，最后以1℃/min的升温速度升温至500℃，保温1h后自然降至室温，制备出选择性吸收层。

进一步的，步骤5具体为：

将步骤4的涂层浸渍到步骤2制备的溶液b中，以10mm/min的速度提拉镀膜，80℃烘干20min，最后以1℃/min的升温速度升温至400℃，保温1h后自然降至室温，制备出减反射层。

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容。

实施例

本实施例的太阳选择性吸收复合涂层具有4层结构，自下而上分别为基底、红外反射层、选择性吸收层和减反射层；所述基底为高抛光的304型不锈钢基片，红外反射层为金属ti薄膜，选择性吸收层为cucomnox尖晶石薄膜，减反射层为sio2薄膜；红外反射层采用磁控溅射法制备，选择性吸收层和减反射层均采用溶胶-凝胶法制备。

太阳选择性吸收复合涂层的制备方法如下：

步骤1，cucomnox复合溶胶a的制备：分别称取3.62g三水硝酸铜、1.46g六水硝酸钴和3.67g四水醋酸锰溶解到100ml乙醇中，磁力搅拌直到完全溶解；称取7.35g一水合柠檬酸作为螯合剂加入到溶液中，磁力搅拌1小时；量取1.45g聚乙二醇200作为脂化剂加入到溶液中，磁力搅拌1小时；最后将0.5g的羟丙基纤维素作为成膜助剂加入溶液中，磁力搅拌直至完全溶解，得到0.35mol/l的cucomnox前驱体溶液a。

步骤2，减反射层溶胶b的制备：室温下将10.4ml正硅酸乙酯加入10ml无水乙醇中混匀后，继续向其滴加3.6ml含0.06wt％hcl的水溶液，在密闭容器中搅拌24h后获得澄清透明的sio2溶胶，往溶胶中加入76ml无水乙醇得到浓度为0.5mol/l的sio2溶胶。

步骤3，基底的清洗：将高抛光的304型不锈钢放入盐酸溶液中超声酸洗5min，然后放入乙醇和丙酮的混合溶液中超声清洗30min以去除油污，最后再放入去离子水总超声清洗25min，烘干待用。

设定氩气气氛，射频电源功率为100w，在清洗完全的基底材料上沉积出一层100nm厚的金属ti红外反射层。

步骤4，将上述步骤3的涂层浸渍到溶液a中，以10mm/min的速度提拉镀膜，80℃烘干20min，最后以1℃/min的升温速度升温至500℃，保温1h后自然降至室温，制备出cucomnox太阳选择性吸收层。

步骤5，将上述步骤4的涂层浸渍到溶胶b中，以10mm/min的速度提拉镀膜，80℃烘干20min，最后以1℃/min的升温速度升温至500℃，保温1h后自然降至室温，最终制备出太阳选择性吸收复合涂层。

图3是中高温太阳选择性吸收复合涂层光谱反射率图，从图中可以看出，在可见光波段反射率较低，太阳吸收率较高，在红外波段反射率高，发射率低，具有较好的太阳光谱选择性。

图4是中高温太阳选择性吸收复合涂层表面sem扫描电镜图，从图中可以看出，有许多纳米颗粒紧密排列，表面比较致密。