专利名称：钽金属掺杂的氮化钛金属陶瓷薄膜的制作方法
技术领域：
本发明涉及高温太阳光谱选择性吸收膜，尤其是指一种钽金属掺杂的氮化钛金属陶瓷薄膜；可用于高温聚光式槽式太阳能集热管开发。
背景技术：
高温太阳光谱选择性吸收膜是决定高温真空集热管效率及发电效率的关键技术之一。优异的太阳能光谱选择性吸收膜在0.3~2.5um波长范围内具有高的吸收率(α)，在2.5um以上的波长范围具有较低的发射率(ε)。高温太阳光谱选择性吸收膜不仅具有好的光谱选择性，还需要具有好的机械性能和耐高温性能。
目前应用比较多的是多层渐变铝氮铝(Al/N/Al)涂层，该涂层具有良好的光谱选择性，但当温度升高时，发射率也随之急剧上升，只能在250℃以下使用。国外关于中、高温太阳能选择性吸收膜的开发进行大量的研究。如Mo或W掺杂的Al2O3金属陶瓷复合膜、Ni修饰的Al2O3膜、Ni-NiOX复合膜、不锈钢-AlN双层陶瓷膜等已经应用于商业化。其中主要采用Ni、Al、Cu做为反射层；金属复合膜为吸收层；氧化物和氮化物为减反层，如TiO2、Al2O3、SiO2、ZrO2、Nd2O3、MgO、Si3N4、TiN、AlN等。
太阳能选择性吸收膜制备方法很多，主要有有电沉积法、化学气相沉积法、化学转化法、蒸镀法和磁控溅射法。磁控溅射是近年来新开发的工艺，采用磁控溅射制备的金属陶瓷复合涂层，主要应用在中高温领域。如钨、铬氮化铝选择性涂层，基片采用铜、铝等反射率高的金属，将钨、铬等金属粒子掺入氮化铝介质，得到金属陶瓷复合涂层，集热温度可达350℃以上。Farooq MO等采用Ni:SiO2金属陶瓷作吸收层，Ni在涂层表面的体积比为10％，到底部逐渐变化为90％，涂层厚度为100～170nm，吸收率为0.96，发射率为0.03～0.14。ZhangQi-chu等采用掺钼的三氧化二铝(Mo-Al2O3)金属陶瓷作为选择性吸收涂层材料，Al2O3作减反射层，双层Mo-Al2O3金属陶瓷层作吸收层，Mo或Cu作反射层，该涂层在350℃下性能稳定，吸收率0.96，发射率为0.11。
然而大部分的膜层在500℃高温下，不能保持稳定的光学性能，光学性能下降。氮化物或氧化物金属陶瓷具有优异的光学性能，如TiN、TiO2、AlN、Al2O3等等。各自具有特定的光谱性能。其中TiN和AlN薄膜对太阳光谱是完全透明的。但是通过掺杂、离子注入、团簇包埋的方法，可以改变金属陶瓷薄膜的光学性能。
实用新型内容本实用新型针对高温下选择性吸收膜热稳定性差的问题提出一种钽掺杂的氮化钛金属陶瓷薄膜，根据各膜层的折射率和消光系数不同设计成梯度吸收膜层，获得高吸收率、低反射率、热稳定性好的太阳能选择性吸收涂层。
为实现上述之目的，本实用新型采取如下技术方案 一种钽金属掺杂的氮化钛金属陶瓷薄膜，依次由在基体上溅射的钛反射层，耐高温的钽金属掺杂的氮化钛吸收层和氮化钛减反射层构成。
所述的吸收层由不同金属含量的多层梯度吸收膜构成，其中包括有高金属含量层、中金属含量层和低金属含量层，三层之间钽金属含量逐步降低。
该吸收膜的总厚度为180~300nm。
所述钛反射层的厚度为300~500nm。
所述氮化钛减反层的厚度为30~60nm。
本实用新型优点在于采用高熔点金属钽掺杂的氮化钛具有更好的耐高温、抗氧化性能，其中经过钽掺杂改性的氮化钛(TaTiN)具有优异的光谱性能，是一种好的太阳能选择性吸收材料。根据各膜层的折射率和消光系数不同，不但将反射层、吸收层和减反层设计成梯度膜层，而且进一步将吸收层(TaTiN)设计成多层梯度膜，使得太阳光谱的紫外、可见和红外光(200~2500nm)经过多次反射、折射、干涉和吸收后，96％以上的辐射被涂层吸收，转化成热量，获得一种高吸收率、低反射率、热稳定性好的太阳能选择性吸收涂层。
图1是本实用新型金属陶瓷薄膜的截面示意图。
图2是制备本实用新型所使用的四靶溅射设备的剖面示意图。
具体实施方式
以下结合附图与具体实施方式
对本实用新型作进一步描述。
如图1，示出了本实用新型高温金属钽掺杂的氮化钛金属陶瓷薄膜结构示意图；其中该薄膜包括依次在基体上溅射的钛反射层2、钽掺杂的氮化钛多层界面吸收层3和氮化钛减反射层4；其中吸收层3包括高金属含量层、中金属含量层和低金属含量层，三层之间钽金属含量逐渐降低。
各镀层的成分、颜色及厚度如图表1所示
本发明使用的四靶溅射设备结构如图2所示，采用该设备可制备由钛(Ti)反射层、钽掺杂的氮化钛(TaTiN)多层界面吸收层和氮化钛(TiN)减反射层组成的金属陶陶瓷薄膜，制备方法如下 溅射炉7内设置四个平面靶电极，两个钽靶8和10和两个钛靶9和11，钛靶和钽靶都安装在溅射炉的侧壁上；旋转架12上放置基材1(即样品)，基材可以在旋转架的环形轨道上转动的同时实现自身旋转，利于均匀镀膜。在靶8、9、10、11和基材之间设置不同电压，从进气管5通入氩气、进气管6通入氮气。用氩离子轰击靶材的表面，金属原子和原子团被溅射出来，不能与氮气反应的材料直接沉积在基材上，和氮气反应的材料生成氮化物沉积在基材上。控制氮气的流量可以控制氮化物的生成量，通入过量的氮气时材料全部反应生成氮化物沉积到基材上，从而完成复合涂层的制备过程。
各层制备工艺分别说明如下 首先在基材1上镀制一层金属反射层2，反射层的材料为钛，该层的制备设置两个钛靶9和11进行。基材放置于旋转轮架上，密闭，抽真空，当真空度达到一定要求后，从进气管5通入适量的氩气，并在基材上施加偏压，对基材进行清洗。开启钛靶，用氩离子轰击靶材表面，使钛金属的原子或原子团被溅射出来，直接沉积在基材上。此时氮气管6关闭，钽靶8和10不工作。
再在金属反射层2表面镀制钽掺杂的氮化钛金属陶瓷吸收薄膜。高金属含量吸收层制备时四靶全部开启，中金属含量和低金属含量吸收层镀制时开启一个钽靶和两个钛靶。从进气管5通入氩气，用氩离子轰击靶材表面，同时从进气管6通入氮气，进行反应气体为氮气的反应溅射。其中，钽金属不与氮气反应，钛与氮气反应生成氮化钛，两种物质共同沉积在基材上形成钽掺杂的氮化钛薄膜。钽金属掺杂的氮化钛薄膜中钽的含量通过设置靶电流、电压、氮气分压进行控制，薄膜的厚度可以通过控制溅射速率和时间进行控制。
最后制备减反射层，在溅射室内设置一个钛靶9或11进行，剩下的3个靶都不工作。采用与上述相同的方法在吸收层上镀制一层氮化钛减反射薄膜4，为完全透明的金属陶瓷层。
实施例1 在四靶直流磁控溅射炉中镀制高金属含量TaTiN(HMCF)膜系高温太阳能真空集热管选择性吸收涂层。靶电极为钽靶和钛靶，工艺参数如下
其中，第一层为Ti反射层，第二层为低金属含量TaTiN金属陶瓷吸收层，第三层为TiN减反射层。经测定，所得涂层在200nm~2500nm之间的光谱吸收率为93％，反射率为0.9(80℃)。
实施例2 在四靶直流磁控溅射炉镀制低金属含量的TaTiN(LMCF)膜系高温太阳能真空集热管选择性吸收涂层。靶电极为钽靶和钛靶，工艺参数如下
其中，第一层为Ti反射层，第二层为金属含量在高含量和低含量之间的TaTiN金属陶瓷吸收层，第三层为TiN减反射层。经测定，所得涂层在200nm～2500nm之间的光谱吸收率为95％，反射率为0.7(80℃)。
实施例3 在四靶直流磁控溅射炉镀制TaTiN(MMCF)膜系高温太阳能真空集热管选择性吸收涂层。靶电极为钽靶和钛靶，工艺参数如下
其中，第一层为Ti反射层，第二层为金属含量在高含量和低含量之间的TaTiN金属陶瓷吸收层，第三层为TiN减反射层。经测定，所得涂层在200nm～2500nm之间的光谱吸收率为95％，反射率为0.8(80℃)。
实施例四 在四靶直流磁控溅射炉镀制TaTiN(HMCF---MMCF----LMCF)膜系高温太阳能真空集热管选择性吸收涂层。靶电极为钽靶和钛靶，工艺参数如下
其中，第一层为Ti反射层，第二层为金属含量依次降低的TaTiN金属陶瓷吸收层共3层，第三层为TiN减反射层。经测定，所得涂层在200nm~2500nm之间的光谱吸收率≥96％，反射率为≤0.6(80℃)。
以上所述，仅是本实用新型结构较佳实施例而已，并非对本实用新型的技术范围作任何限制，故凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
权利要求1.一种钽金属掺杂的氮化钛金属陶瓷薄膜，其特征在于依次由在基体上溅射的钛反射层，耐高温的钽金属掺杂的氮化钛吸收层和氮化钛减反射层构成。
2.根据权利要求1所述钽金属掺杂的氮化钛金属陶瓷薄膜，其特征在于该吸收膜的总厚度为180~300nm。
3.根据权利要求1所述钽金属掺杂的氮化钛金属陶瓷薄膜，其特征在于所述钛反射层的厚度为300~500nm。
4.根据权利要求1所述钽金属掺杂的氮化钛金属陶瓷薄膜，其特征在于所述氮化钛减反层的厚度为30~60nm。
专利摘要本实用新型提供了钽金属掺杂的氮化钛金属陶瓷薄膜，依次由在基体上溅射的钛反射层，耐高温的钽金属掺杂的氮化钛吸收层和氮化钛减反射层构成。采用高熔点金属钽掺杂的氮化钛具有更好的耐高温、抗氧化性能，其中经过钽掺杂改性的氮化钛(TaTiN)具有优异的光谱性能，是一种好的太阳能选择性吸收材料。根据各膜层的折射率和消光系数不同，不但将反射层、吸收层和减反层设计成梯度膜层，而且进一步将吸收层(TaTiN)设计成多层梯度膜，使得太阳光谱的紫外、可见和红外光(200~2500nm)经过多次反射、折射、干涉和吸收后，96％以上的辐射被涂层吸收，转化成热量，获得一种高吸收率、低反射率、热稳定性好的太阳能选择性吸收涂层。
文档编号F24J2/48GK201539995SQ20092005041
公开日2010年8月4日 申请日期2009年1月19日 优先权日2009年1月19日
发明者贺冬枚, 李皓桢, 刘浩, 彭启成, 周拥仔, 赵华平, 陈玉琴 申请人:东莞市康达机电工程有限公司