一種碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法，屬于太陽能利用技術(shù)領(lǐng)域。該涂層依次包括吸熱體基底，吸收層和減反射層。所述吸收層的材料為碳化鈦，厚度為60?100 nm。所述減反射層為氧化鋁膜，厚度為50?100 nm。本發(fā)明制備的涂層在大氣質(zhì)量因子AM1.5條件下，吸收率為≥0.90，發(fā)射率≤0.13；該涂層具有很好的高溫穩(wěn)定性，可長期在600 oC的真空環(huán)境下使用。該涂層具有良好的抗腐蝕性能和優(yōu)異的光學(xué)性能，在太陽能中低溫領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。本發(fā)明制備工藝簡單，成本較低，在太陽能熱利用和熱發(fā)電領(lǐng)域具有廣闊的實用價值和應(yīng)用前景。
【專利說明】
一種碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于太陽能熱發(fā)電和真空鍍膜技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高溫太陽能選擇性吸收涂層，尤其涉及一種碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法。【背景技術(shù)】
[0002]太陽能光熱發(fā)電，也叫聚光太陽能熱發(fā)電，通過將太陽能直射光聚集起來，轉(zhuǎn)化為熱能，從而驅(qū)動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力。光熱發(fā)電分為槽式、塔式、碟式、線性菲涅爾式四種，目前投入商業(yè)化的是槽式和塔式發(fā)電。我國太陽能光熱資源豐富，但僅在西北地區(qū)，而光熱發(fā)電可裝機(jī)潛力約16000兆瓦，年潛在發(fā)電量42000兆千瓦時。專家認(rèn)為，光熱發(fā)電將是我國新能源領(lǐng)域較具代表性和潛力的產(chǎn)業(yè)。大規(guī)模發(fā)展光熱發(fā)電替代燃煤火電，將有助于優(yōu)化我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，盡早解決霧霾問題。
[0003]高溫太陽能選擇性吸收涂層是光熱發(fā)電的核心材料，其要求具有高的吸收率，低的熱發(fā)射率及高溫穩(wěn)定性。高的工作溫度將有助于提高光熱發(fā)電效率。金屬陶瓷復(fù)合型膜系是指在高紅外反射率的金屬基體表面沉積一種由金屬小顆粒嵌入陶瓷介質(zhì)中所形成的一種涂層。嵌入陶瓷介質(zhì)中的通常為過渡金屬顆?；蚝辖穑@些顆粒要么均勻分布于陶瓷介質(zhì)中，要么從底層到表層金屬顆粒的含量依次降低從而使涂層的折射率成梯度變化。到目前為止，研究人員已經(jīng)開發(fā)了許多性能優(yōu)良的太陽能吸收涂層3aAl-AlN、M〇-Si02、W-Al2〇3、Cr-Cr2〇3、N1-Al2〇3、M〇-Al2〇3、Cr-Al2〇3、C〇-WC、W-N1-Al2〇3、Ag-Al2〇3、M〇-Si3N4、Al-N1-Al2〇3、W_N1-YSZ等。其中Mo_Si〇2 和M0-AI2O3 體系已被意大利Angelanton1-ENEA公司和德國Siemens公司成功商業(yè)化推廣。然而，對于傳統(tǒng)的金屬-電介質(zhì)復(fù)合體系，作為填充粒子的金屬或金屬合金在高溫下易發(fā)生擴(kuò)散、氧化、團(tuán)聚等現(xiàn)象，由此導(dǎo)致吸收涂層光學(xué)性能的衰減。而且射頻濺射等工藝沉積速率低、摻雜系數(shù)難控制、生產(chǎn)周期長、工藝復(fù)雜、成本尚。
[0004]碳化鈦是具有金屬光澤的鐵灰色晶體，屬于NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為 0.4329 nm，空間群為Fm3m，在晶格位置上碳原子與鈦原子是等價的，TiC原子間以很強(qiáng)的共價鍵結(jié)合，具有類似金屬的若干特性，如高的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和硬度，硬度僅次于金剛石，有良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性，在溫度極低時甚至表現(xiàn)出超導(dǎo)性。因此，TiC被廣泛用于制造金屬陶瓷，耐熱合金、硬質(zhì)合金、抗磨材料、高溫輻射材料以及其它高溫真空器件，用其制備的復(fù)相材料在機(jī)械加工、冶金礦產(chǎn)、航天和聚變堆等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
[0005]中國發(fā)明專利CN101408354A公開了一種以碳化鈦、氮化鈦、碳氮化鈦為基材制備的防擴(kuò)散，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的太陽能選擇性吸收涂層。但對于碳化鈦高溫陶瓷潛在的光譜選擇性性能未進(jìn)一步開發(fā)。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對傳統(tǒng)太陽能吸收涂層存在的問題以及碳化鈦高溫陶瓷潛在的光譜選擇性性能未進(jìn)一步開發(fā)的問題而提供一種碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層。
[0007]本發(fā)明的另一目的是提供上述碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層的制備方法。
[0008]—種碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層，依次包括吸熱體基底、吸收層和減反射層，所述吸熱體基底為拋光不銹鋼或銅片，所述吸收層材料為碳化鈦，所述減反射層材料為氧化鋁。
[0009]所述吸收層碳化鈦的厚度為60-100 nm。[〇〇1〇]所述減反射層氧化鋁的厚度為50-100 nm。
[0011]所述吸收層采用直流磁控濺射方法制備;所述減反射層采用射頻磁控濺射方法制備。
[0012]上述碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，包括以下工藝步驟:(1)吸熱體基底的處理:將吸熱體基底去除表面附著的雜質(zhì)后，分別在丙酮和乙醇中分別超聲清洗10-20分鐘，氮?dú)獯蹈?，真空保存?2)吸收層的制備:吸收層碳化鈦制備采用直流磁控濺射方法，制備時采用純度99.99% 的碳化鈦?zhàn)鳛榇趴貫R射靶材;真空室預(yù)抽本底真空至1.0*1(T6 _7.0*1(T6 Torr;碳化鈦靶材的濺射功率密度為4-10 W/cnf2,濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為20-80 sccm，沉積碳化鈦厚度為60-100 nm;(3)減反射層的制備:吸收層制備完畢后，以純度99.99%的Al2〇3作為磁控濺射靶材，控制Al2〇3靶材的濺射功率密度在5-10 W/cnf2,濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為20-80 sccm，采用射頻磁控濺射在吸收層上濺射制備減反射層，厚度為50-100 nm。
[0013]所述吸熱體基底為拋光不銹鋼片或銅片。[〇〇14]所述在濺射沉積吸收層時其吸熱體基底溫度為25-350 °C。[〇〇15]所述在濺射沉積減反射層時其吸熱體基底溫度為25-350 °C。
[0016]本發(fā)明的太陽能選擇性吸收涂層，以高溫穩(wěn)定性良好及具有潛在光譜選擇性的碳化鈦為吸收層，有效提高了涂層的高溫穩(wěn)定性及光學(xué)性能(吸收率和發(fā)射率)，極大的豐富了碳化鈦陶瓷在太陽能產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用。本發(fā)明的太陽能選擇性涂層由圖2可知，該涂層在紫外可見近紅外光譜范圍內(nèi)具有低的反射率，在紅外光譜范圍內(nèi)具有高的反射率。在大氣質(zhì)量因子AM1.5條件下，吸收率彡0.90,反射率<0.13;在高真空度下，經(jīng)600°C長時間保溫后， 涂層的吸收率和發(fā)射率沒有明顯的變化。長期鹽霧實驗結(jié)果表明，該涂層具有良好的抗腐蝕性能，如圖3所示。
[0017]綜上所述，本發(fā)明制備的涂層具有可見-紅外光譜高吸收率，紅外光譜低發(fā)射率的特點(diǎn)。由于吸收層采用碳化鈦高溫陶瓷，涂層具有良好的熱穩(wěn)定性能及抗腐蝕性能，適用于中低溫，高溫(400-600°C)太陽能光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，用于太陽能熱蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和熱發(fā)電技術(shù)。本發(fā)明涂層結(jié)構(gòu)簡單，沒有紅外反射層和摻雜，從而簡化了工藝，操作方便，縮短生產(chǎn)周期，降低成本，本發(fā)明在太陽能熱利用和熱發(fā)電領(lǐng)域具有廣闊的實用價值和應(yīng)用前景?！靖綀D說明】
[0018]圖1為本發(fā)明碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層的結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層的反射譜圖；圖3為本發(fā)明碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層的鹽霧試驗結(jié)果實物照片。【具體實施方式】
[0019]下面通過具體實施例對本發(fā)明高溫太陽能選擇性吸收涂層以及制備及性能作進(jìn)一步說明。
[0020]實施例1一種碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層，依次包括吸熱體基底、吸收層和減反射層， 吸熱體基底為拋光不銹鋼片，粗糙度值為1 nm;吸收層材料為碳化鈦，厚度為88 nm，吸收層采用直流磁控濺射方法制備;減反射層材料為氧化鋁，厚度為84 nm，減反射層采用射頻磁控濺射方法制備。
[0021]上述碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，包括如下工藝:(1)吸熱體基底的處理:選用粗糙度值為lnm的拋光不銹鋼片作為吸熱體基底。使用前用棉球擦拭表面，除去表面附著的雜質(zhì)，然后使用不銹鋼片分別在丙酮和乙醇溶劑中分別超聲清洗15分鐘，用氮?dú)獯蹈?，真空保存，待用。[〇〇22](2)吸收層的制備:采用純度99.99%碳化鈦?zhàn)鳛榇趴貫R射靶材;采用直流磁控濺射技術(shù)制備碳化鈦，將真空室預(yù)抽本底真空至2.4*1(T6 Torr;調(diào)整碳化鈦靶材的濺射功率密度為8.7 W/cnf2，濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為33 seem，開始在吸熱體基底上沉積碳化鈦，其厚度為88 nm;濺射過程中吸熱體基底溫度為200 °C。[〇〇23](3)減反射層的制備:吸收層制備完畢后，以純度99.99%的Al2〇3作為磁控濺射靶材，控制Al2〇3靶材的濺射功率密度在6.14 W/cnf2,濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為33 seem，采用射頻磁控濺射在吸收層上濺射制備減反射層，厚度為84 nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為200 °C。[〇〇24]該太陽能選擇性吸收涂層的光學(xué)性能如下:在大氣質(zhì)量因子AM1.5條件下，涂層吸收率為0.93，發(fā)射率為0.10;在高真空度下，經(jīng)600°C長時間保溫后，其吸收率為0.93，法向發(fā)射率為0.10。[〇〇25] 實施例2一種碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層，依次包括吸熱體基底、吸收層和減反射層， 吸熱體基底為拋光不銹鋼片，粗糙度值為0.5 nm;吸收層材料為碳化鈦，厚度為60 nm，吸收層采用直流磁控濺射方法制備;減反射層材料為氧化鋁，厚度為100 nm，減反射層采用射頻磁控濺射方法制備。
[0026] 上述碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，包括如下工藝:(1)吸熱體基底的處理:選用粗糙度值為0.5 n m的拋光不銹鋼片作為吸熱體基底。使用前用棉球擦拭表面，除去表面附著的雜質(zhì)，然后使用不銹鋼片分別在丙酮和乙醇溶劑中分別超聲清洗10分鐘，用氮?dú)獯蹈桑婵毡４?，待用。[〇〇27](2)吸收層的制備:采用純度99.99%碳化鈦?zhàn)鳛榇趴貫R射靶材;碳化鈦采用直流磁控濺射技術(shù)制備，將真空室預(yù)抽本底真空至1.〇*l(T6 Torr;調(diào)整碳化鈦靶材的濺射功率密度為lOW/cnf2,濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為20 seem，開始在吸熱體基底上沉積碳化鈦，其厚度為60 nm;濺射過程中吸熱體基底溫度為350 °C。[〇〇28](3)減反射層的制備:以純度99.99%的Al2〇3作為磁控濺射靶材，控制Al2〇3祀材的濺射功率密度在5.0 W/cnf2，濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為20 seem，采用射頻磁控濺射在吸收層上濺射制備減反射層，厚度為100 nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為350 °C。[〇〇29]該太陽能選擇性吸收涂層的光學(xué)性能如下:在大氣質(zhì)量因子AM1.5條件下，涂層吸收率為0.90，發(fā)射率為0.13;在高真空度下，經(jīng)600°C長時間保溫后，其吸收率為0.90，發(fā)射率為0.13。[〇〇3〇] 實施例3一種碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層，依次包括吸熱體基底、吸收層和減反射層， 吸熱體基底為拋光不銹鋼片，粗糙度值為3 nm;吸收層材料為碳化鈦，厚度為100 nm，吸收層采用直流磁控濺射方法制備;減反射層材料為氧化鋁，厚度為50 nm，減反射層采用射頻磁控濺射方法制備。
[0031] 上述碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，包括如下工藝:(1)吸熱體基底的處理:選用粗糙度值為3nm的拋光不銹鋼片作為吸熱體基底。使用前用棉球擦拭表面，除去表面附著的雜質(zhì)，然后使用不銹鋼片分別在丙酮和乙醇溶劑中分別超聲清洗20分鐘，用氮?dú)獯蹈?，真空保存，待用。[〇〇32](2)吸收層的制備:采用純度99.99%碳化鈦?zhàn)鳛榇趴貫R射靶材;碳化鈦采用直流磁控濺射技術(shù)制備，將真空室預(yù)抽本底真空至7.0*1(T6 Torr;調(diào)整碳化鈦靶材的濺射功率密度為8 W/cnf2，濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為33 seem，開始在吸熱體基底上沉積碳化鈦，其厚度為100 nm;濺射過程中吸熱體基底溫度為250 °C。[〇〇33](3)減反射層的制備:以純度99.99%的Al2〇3作為磁控濺射靶材，控制Al2〇3祀材的濺射功率密度在6 W/cnf2,濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為33 seem，采用射頻磁控濺射在吸收層上濺射制備減反射層，厚度為50 nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為250 °C。[〇〇34]該太陽能選擇性吸收涂層的光學(xué)性能如下:在大氣質(zhì)量因子AM1.5條件下，涂層吸收率為0.90，發(fā)射率為0.12;在高真空度下，經(jīng)600°C長時間保溫后，其吸收率為0.90，發(fā)射率為0.13。
[0035]實施例4一種碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層，依次包括吸熱體基底、吸收層和減反射層， 吸熱體基底為銅片；吸收層材料為碳化鈦，厚度為88 nm，吸收層采用直流磁控濺射方法制備;減反射層材料為氧化鋁，厚度為84 nm，減反射層采用射頻磁控濺射方法制備。
[0036]上述碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，包括如下工藝:(1)吸熱體基底的處理:選用銅片作為吸熱體基底。使用前用棉球擦拭表面，除去表面附著的雜質(zhì)，然后使用不銹鋼片分別在丙酮和乙醇溶劑中分別超聲清洗20分鐘，用氮?dú)獯蹈?，真空保存，待用。[〇〇37](2)吸收層的制備:采用純度99.99%碳化鈦?zhàn)鳛榇趴貫R射靶材;采用直流磁控濺射技術(shù)制備碳化鈦，將真空室預(yù)抽本底真空至2.1*1(T6 Torr;調(diào)整碳化鈦靶材的濺射功率密度為4.0W/cnf2，濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為80 seem，開始在吸熱體基底上沉積碳化鈦，其厚度為88 nm;濺射過程中吸熱體基底溫度為25 °C。[〇〇38](3)減反射層的制備:吸收層制備完畢后，以純度99.99%的Al2〇3作為磁控濺射靶材，控制Al2〇3靶材的濺射功率密度在lOW/cnf2,濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為8〇SCCm，采用射頻磁控濺射在吸收層上濺射制備減反射層，厚度為84 nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為250C。
[0039]該太陽能選擇性吸收涂層的光學(xué)性能如下:在大氣質(zhì)量因子AM1.5條件下，涂層吸收率為0.93,發(fā)射率為0.09。
【主權(quán)項】
1.一種碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于:依次包括吸熱體基底、吸收 層和減反射層，所述吸熱體基底為拋光不銹鋼片或銅片，所述吸收層材料為碳化鈦，所述減 反射層材料為氧化鋁。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于:所述 吸收層碳化鈦的厚度為60-100 nm〇3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于: 所述減反射層氧化鋁的厚度為50-100 nm。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于: 所述吸熱體基底拋光不銹鋼片的粗糙度值為0.5-3 nm。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于:所述 吸熱體基底拋光不銹鋼片的粗糙度值為0.5-3 nm。6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于: 所述吸收層采用直流磁控濺射方法制備;所述減反射層采用射頻磁控濺射方法制備。7.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的一種碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層的制備方 法，其特征在于包括以下工藝步驟:(1)吸熱體基底的處理:將吸熱體基底去除表面附著的雜質(zhì)后，分別在丙酮和乙醇中分 別超聲清洗10?20分鐘，氮?dú)獯蹈桑婵毡４妫?2)吸收層的制備:吸收層碳化鈦制備采用直流磁控濺射方法，制備時采用純度99.99% 的碳化鈦?zhàn)鳛榇趴貫R射靶材;真空室預(yù)抽本底真空至1.0*1(T6 _7.0*1(T6 Torr;碳化鈦靶 材的濺射功率密度為4-10 W/cnf2,濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為20-80 sccm，沉積碳化鈦厚 度為60-100 nm;(3)減反射層的制備:吸收層制備完畢后，以純度99.99%的Al2〇3作為磁控濺射靶材，控 制Al2〇3靶材的濺射功率密度在5-10 W/cnf2,濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為20-80 sccm，采用 射頻磁控濺射在吸收層上濺射制備減反射層，厚度為50-100 nm。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述一種碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，其特征 在于:所述吸熱體基底為拋光不銹鋼片或銅片。9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述一種碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，其特 征在于:所述在濺射沉積吸收層時其吸熱體基底溫度為25-350 °C。10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述一種碳化鈦基高溫太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，其 特征在于:所述在濺射沉積減反射層時其吸熱體基底溫度為25-350 °C。
【文檔編號】C23C14/35GK105970177SQ201610424296
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】高祥虎, 劉剛, 郭志明, 耿慶芬, 馬鵬軍, 王愛勤
【申請人】中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所