一种TiCN基耐高温太阳能选择性吸收涂层的制作方法

文档序号：16756220发布日期：2019-01-29 17:23阅读：361来源：国知局

本发明涉及一种太阳能吸收涂层，特别涉及一种ticn基耐高温太阳能选择性吸收涂层，属于涂层制备技术领域。

技术背景

太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，对于太阳能的有效利用是提高国民经济具有庞大的推动力。但太阳能也是一种低品质，低能量密度的能源，效率转化成为太阳能利用的一道屏障。因此，随着研究的推动，太阳能选择性吸收涂层应运而生。太阳能光谱选择性吸收涂层作为太阳能集热器光电光热转化核心部位，为解决如何吸收效率，降低发散率等问题，引起了众多研究员的研究热潮。太阳能选择性吸收光谱在波长为300nm-2500nm的范围内具有高的吸收效率，但同时很难解决高温度，高吸收率，低发散率三者之间的矛盾。因此，耐高温抗氧化，具有良好性能稳定的选择性吸收涂层具有潜在的应用潜能。

在目前的研究中，选择性吸收涂层材料包括金属单层，金属硫化物，氮化物，碳化物等金属陶瓷复合材料。选择性吸收涂层的发展从开始简单的单层到多层复合材料，从干涉滤波性到多层渐变型，效率已经得到较大的提高。在本发明中涉及了一种碳化物金属陶瓷复合涂层。选择性吸收涂层的制备包括涂覆法，电化学法，真空蒸度法，磁控溅射法等。本发明中采用的是工业生产中广泛采用的中频磁控溅射法制备太阳能选择性吸收涂层。因此，本发明提供一种吸收效率高，低发射率的耐高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种ticn基耐高温太阳能选择性吸收涂层，本发明提供的耐高温抗氧化涂层可在800℃空气退火2h后依然保持0.92以上的效率，有望应用于光热转化材料中。

本发明的目的在于提供一种ticn基耐高温太阳能选择性吸收涂层，从基体到涂层表面依次包括为吸收层，减反层。所述的吸收层为一种耐高温抗氧化材料ticn，所述的ticnticn吸收层为纳米复合结构，即纳米晶tin镶嵌于非晶c中，而涂层中的非晶c以sp²和sp³杂化键能混合存在，具有优良的抗高温氧化特性。所述的减反层是一种禁带宽度大的氮氧化物alon，所述的alon材料具有硬度高，对吸收层以及基体起到保护的作用。

所述的ticn吸收层厚度为50-200nm。

所述的ticn吸收层为纳米复合结构，即纳米晶tin镶嵌于非晶c中，而涂层中的非晶c以sp²和sp³杂化键能混合存在，ticn元素成分百分比为：ti：28-37at.％；c:23-30at.％；n:38-44at.％。

所述的alon减反层的厚度为40-200nm。

所述的耐高温氧化的alon层为非晶al2o3或者aln结构，其元素成分百分比为：al：30-40at.％；o:22-32at.％；n:37-45at.％。

所述的吸收涂层采用的是中频磁控溅射或技术沉积而得，所述的磁控靶材为高纯度tic磁控靶材，所述的沉积功率为100-500w，所述的沉积温度为300-500℃，所述的工作压力为0.5-2pa，工作气氛为n2+ar气体，其比例为n2:ar＝1:3-3:1。

所述的alon减反层采用中频磁控溅射方法沉积而得，所述的溅射功率为200-600w，沉积温度为200-600℃，工作压强为0.5-1.8pa，工作气氛为n2+ar气体，其比例为n2:ar＝1:4-4:1。

所述的耐高温太阳能选择性吸收涂层从基体到表面依次为ss/ticn/alon。

本发明提供的太阳能耐高温选择性吸收涂层通过设计成多层金属复合结构来提高工作温度，提高抗氧化性能，从而提高太阳能集热器的使用寿命。上述所提的高温抗氧化太阳能涂层可在800℃空气退火后依然保持0.92以上的吸收率，反射率低于0.12以下。结果表明，本发明提供的耐高温抗氧化太阳能选择性吸收涂层具有巨大的潜在利用价值。

根据以上的技术方案，本发明提供的太阳能选择性吸收涂层至少具备以下的特点：

(1)在波长300nm-2500nm范围内具有较高的吸收率和低的反射率。

(2)长期在高温的环境下可以保持稳定性能，即增加集热器的使用寿命。

(3)采用中频磁控溅射方法制备，方法简单易控，成本低，可有望实现产业化。

附图说明

图1为本发明所述的耐高温太阳能选择性吸收涂层结构示意图，其中(1)为ticn层；(2)为alon层。

图2为本发明提供的耐高温太阳能选择性吸收涂层在不同温度下退火后的xrd图。

具体实施方式

本发明提供的一种耐高温太阳能选择性吸收涂层如图1所示，从基体到涂层表面为吸收层，减反层。本发明所述的太阳能选择性吸收涂层采用中频磁控溅射法制备而得，具备多层复合结构。本发明提供的选择性吸收涂层ss/ticn/alon，太阳能选择性吸收涂层可在600℃空气退火后依然保持0.92以上的吸收率，反射率低于0.12以下。具体的实施步骤如下：

(1)将不锈钢基体使用丙酮和无水乙醇在超声波清洗机各超声8-40min，再用干燥洁净的压缩空气吹干，

(2)把预处理好的不锈钢基体等距离悬挂在专架上，专架固定在真空腔体距离靶材位置大约10-50mm左右的位置上。

(3)沉积前抽取真空至2.0×10^-3-8.0×10^-3pa，加热腔体至200-600℃保持10-50min，通入ar气调整气压为0.5-1.5pa，并开启直流偏压开始离子溅射基体表面5-20min，使沉积物的附着力增大，本实施步骤所用的ar纯度为99.99％。

(4)通入n2，调节n2:ar＝1:3-3:1，保持n2+ar气压为0.5-2.0pa，保持沉积温度为300-500℃，开启tic靶材，开启中频电源并调整功率为100-500w，溅射大概5-30min左右，在基体表面镀上一层厚度为50-200nm的ticn吸收层。

(5)关闭tic靶材和与之连接的中频电源，调节工作压强为0.5-1.8pa，工作气氛为n2+ar气体，其比例为n2:ar＝1:4-4:1保持沉积温度为200-600℃，开启al2o3靶材和中频电源并调整溅射功率为200-600w，溅射30-60min左右，在吸收层表面镀上一层厚度为40-200nm的alon减反层。

(6)关闭al2o3靶材和中频电源，冷却腔体温度至室温下取出样品。上述所提及的耐高温太阳能选择性吸收涂层在波长为300nm-2500nm的范围内吸收率大于0.92，发射率小于0.12。

在实际应用中，集热器长期在高温环境和恶劣的自然环境中，需要添加保护装置导致能量吸收损失，这要求太阳能选择性吸收涂层就有综合性的优异性能。因此，本发明提供一种能克服上述所提及的挑战。为了表明本发明提供的耐高温太阳能选择性吸收涂层ss/ticn/alon退火来展现本发明所述的太阳能选择性吸收涂层的优越性。具体的实施案例如以下：

实施例1

根据具体实施的实验步骤其中的一种参数所得出来的太阳能选择性吸收涂层，其中ticn吸收层厚度为80nm，al2o3减反层厚度为80nm。根据以上的制备方法，极大的可能解决集热器在高温环境下寿命短的问题，本发明所述的太阳能选择性吸收涂层从材料的选择到结构的设计都从解决实际的问题出发，具体的氧化步骤如下所述：