一種碳化鈦?碳化鎢紫色太陽(yáng)能選擇性吸收涂層及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種碳化鈦?碳化鎢紫色太陽(yáng)能選擇性吸收涂層及其制備方法，其中該涂層從底層到表面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和碳化鎢的復(fù)合物，采用雙靶共濺射制備，厚度為60~90 nm，該復(fù)合物中鎢原子百分比為8~15%。所述減反射層為氧化鋁，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；該涂層具有很好的色彩穩(wěn)定性和抗腐蝕性能。本發(fā)明提供的涂層具有高吸收率、低發(fā)射率，良好的熱穩(wěn)定性能及耐腐蝕性能等特點(diǎn)。該涂層制備工藝簡(jiǎn)單、原料來(lái)源豐富、價(jià)格低廉、操作方便、易于控制，在太陽(yáng)能熱利用和熱發(fā)電領(lǐng)域具有廣闊的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。
【專利說(shuō)明】
一種碳化鈦-碳化鎢紫色太陽(yáng)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(yáng)能熱發(fā)電和真空鍍膜技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種紫色太陽(yáng)能選擇性吸收涂層及其制備方法，是目前太陽(yáng)能熱發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一，具體涉及一種碳化鈦-碳化鎢紫色太陽(yáng)能選擇性吸收涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽(yáng)能光熱應(yīng)用無(wú)疑是人類利用太陽(yáng)能最簡(jiǎn)單、最直接的有效途徑。然而由于太陽(yáng)光到達(dá)地球后能量密度較小而又不連續(xù)，給大規(guī)模開發(fā)利用帶來(lái)困難。這就要求人們想辦法盡量把低品位的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成高品位的熱能，對(duì)太陽(yáng)能起到富集作用，以便最大限度地加以利用。在一系列眾所周知的光熱應(yīng)用技術(shù)中，選擇性吸收涂層技術(shù)是其中的核心技術(shù)。
[0003]太陽(yáng)能選擇性吸收涂層性能是提高槽式拋物面聚焦發(fā)電效率和減少太陽(yáng)能熱發(fā)電成本的重要因素。提高涂層的工作溫度，使其工作環(huán)境高于400°C可以大大提高太陽(yáng)能熱發(fā)電中能量循環(huán)的效率及減少熱儲(chǔ)存的成本，從而達(dá)到減少太陽(yáng)能發(fā)電的成本。綜合來(lái)講，一種高溫太陽(yáng)能選擇性涂層材料本身必須具有光譜選擇性和高溫穩(wěn)定性，它們由多層金屬陶瓷構(gòu)成并具有適合的表面結(jié)構(gòu)和多層減反膜。其材料要求具備高的熔點(diǎn)并且抗氧化性好。我國(guó)正處于可再生能源開發(fā)利用的啟動(dòng)期，風(fēng)能，光電等能源利用已經(jīng)獲得成就，大力開展光熱能源利用，開發(fā)太陽(yáng)能集熱管的高溫選擇性吸收涂層核心技術(shù)勢(shì)在必行。
[0004]近年來(lái)，金屬陶瓷光譜選擇性吸收涂層得到了廣泛的研究和應(yīng)用。如Α1-Α1Ν、Μο-Si02、W-Al203、Cr-Cr203、N1-Al203、Mo-Al203、Cr-Al203、Co-WC、W-N1-Al203、Ag-Al203、Mo-Si3N4、Al-N1-Al 2Ο3、W-N1-YSZ等。意大利 Angelanton1-ENEA公司和德國(guó) Siemens公司已經(jīng)將Mo-S12和Mo-AhO3體系成功商業(yè)化推廣。然而，對(duì)于金屬陶瓷復(fù)合體系，由于體系中存在的金屬顆粒易在紫色下發(fā)生氧化、擴(kuò)散、團(tuán)聚等現(xiàn)象，從而造成吸收涂層長(zhǎng)期在紫色下服役其光學(xué)性能下降，甚至失效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)而提供一種碳化鈦-碳化鎢紫色太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，該涂層具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、高吸收率、低發(fā)射率、制備工藝簡(jiǎn)單、原料來(lái)源豐富，操作方便。
[0006]本發(fā)明的另一目的是提供上述碳化鈦-碳化鎢紫色太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的制備方法。
[0007]為解決本發(fā)明的技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:
一種碳化鈦-碳化鎢紫色太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，從底層到表面依次包括吸熱體基底、吸收層和減反射層;所述的吸收層材料為碳化鈦和碳化鎢的復(fù)合物，所述的減反射層材料為氧化鋁。
[0008]所述的吸收層厚度為60-90nm。
[0009]所述的吸收層復(fù)合物中鎢原子百分比為8-15%。
[0010]所述的減反射層厚度為50-100nm。
[0011 ]所述吸熱體基底為拋光不銹鋼片。
[0012]所述的吸收層該復(fù)合物利用雙靶共濺射制備，其中碳化鈦采用直流磁控濺射方法制備，碳化鎢采用射頻磁控濺射方法制備;所述的減反射層采用射頻磁控濺射方法制備。
[0013]上述碳化鈦-碳化鎢紫色太陽(yáng)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?br> (2)吸收層的制備:采用純度為99.99%的碳化鈦和碳化鎢作為磁控濺射靶材;采用雙靶共濺射方法制備吸收層，其中碳化鈦采用直流磁控濺射，碳化鎢采用射頻磁控濺射方法，將真空室預(yù)抽本底真空至1.0*10—6-7.0*10—6 Torr;調(diào)整碳化鈦靶材的濺射功率密度為6-10W/cm—2，碳化鎢靶材的濺射功率密度為2-5 W/cm—2，濺射沉積時(shí)氬氣的進(jìn)氣量為20-100sccm，開始在吸熱體基底上沉積碳化鈦和碳化鎢的復(fù)合物；
(3 )減反射層的制備:吸收層制備完畢后，以純度99.99%的Al2O3作為磁控濺射靶材，控制Al2O3靶材的濺射功率密度在5-10 W/cm—2，濺射沉積時(shí)氬氣的進(jìn)氣量為20-100 sccm，采用射頻磁控濺射在吸收層上濺射制備減反射層。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，以碳化鈦和碳化鎢復(fù)合物為吸收層，氧化鋁為減反射層，極大的豐富了碳化鈦陶瓷和碳化鎢在太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用。本發(fā)明采用碳化鈦和碳化鎢的復(fù)合物作為吸收層，該吸收層表現(xiàn)出一定的光譜選擇性，即相對(duì)高的吸收率和低的發(fā)射率。減反射層氧化鋁的沉積極大地提高了該涂層的吸收率。本發(fā)明的太陽(yáng)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AMl.5條件下，吸收率多0.90，發(fā)射率<0.13。同時(shí)在高真空度下，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間高溫保溫后，涂層的吸收率和發(fā)射率沒有明顯的變化，該涂層具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性能。本發(fā)明涂層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，從而簡(jiǎn)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(yáng)能熱利用和熱發(fā)電領(lǐng)域具有廣闊的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
圖1為本發(fā)明碳化鈦-碳化鎢紫色太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的結(jié)構(gòu)圖；
圖2為本發(fā)明碳化鈦-碳化鎢紫色太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的反射譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的碳化鈦-碳化鎢紫色太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的制備及性能作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0016]實(shí)施例1
一種碳化鈦-碳化鎢紫色太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，從底層到表面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。吸收層材料為碳化鈦和碳化鎢的復(fù)合物，該復(fù)合物利用雙靶共濺射制備，其中碳化鈦采用直流磁控濺射方法制備，碳化鎢采用射頻磁控濺射方法制備；吸收層復(fù)合物的厚度為73 nm，吸收層復(fù)合物中鎢原子百分比為11.5%。減反射層材料為氧化鋁，采用射頻磁控濺射方法制備，厚度為63 nm。
[0017]上述碳化鈦-碳化鎢紫色太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的制備方法，包括以下工藝步驟:
(I)吸熱體基底的處理:選用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)，然后使用拋光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?br>[0018](2)吸收層的制備:采用純度99.99%碳化鈦和碳化鎢作為磁控濺射靶材;碳化鈦靶材采用直流磁控濺射，碳化鎢靶材采用射頻磁控濺射方法，利用共濺射方法制備吸收層。將真空室預(yù)抽本底真空至2.1*10—6 Torr;調(diào)整碳化鈦靶材的濺射功率密度為8.7W/cm—2，碳化鎢靶材的濺射功率密度為3.2 W/cm—2，濺射沉積時(shí)氬氣的進(jìn)氣量為35 sccm，開始在吸熱體基底上沉積碳化鈦和碳化鎢的復(fù)合物，其厚度為73 nm。
[0019](3)減反射層的制備:吸收層制備完畢后，以純度99.99%的Al2O3作為磁控濺射靶材，控制Al2O3靶材的濺射功率密度在6.1 W/cm—2，濺射沉積時(shí)氬氣的進(jìn)氣量為35 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63 nm。
[0020]該太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的光學(xué)性能如下:在大氣質(zhì)量因子AMl.5條件下，涂層吸收率為0.92，發(fā)射率為0.10；在高真空度下，經(jīng)5000C長(zhǎng)時(shí)間保溫后涂層的吸收率，發(fā)射率未發(fā)生明顯變化。
[0021]實(shí)施例2
一種碳化鈦-碳化鎢紫色太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，從底層到表面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。吸收層材料為碳化鈦和碳化鎢的復(fù)合物，該復(fù)合物利用雙靶共濺射制備，其中碳化鈦采用直流磁控濺射方法制備，碳化鎢采用射頻磁控濺射方法制備；吸收層復(fù)合物的厚度為60 nm，吸收層復(fù)合物中鎢原子百分比為8%。減反射層材料為氧化鋁，采用射頻磁控濺射方法制備，厚度為100 nm。
[0022]上述碳化鈦-碳化鎢紫色太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的制備方法，包括以下工藝步驟:
(I)吸熱體基底的處理:選用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?br>[0023](2)吸收層的制備:采用純度99.99%碳化鈦和碳化鎢作為磁控濺射靶材;碳化鈦靶材采用直流磁控濺射，碳化鎢靶材采用射頻磁控濺射方法，利用共濺射方法制備吸收層。將真空室預(yù)抽本底真空至1.0*10—6 Torr;調(diào)整碳化鈦靶材的濺射功率密度為10 W/cm—2，碳化鎢靶材的濺射功率密度為2 W/cm—2，濺射沉積時(shí)氬氣的進(jìn)氣量為100 sccm，開始在吸熱體基底上沉積碳化鈦和碳化鎢的復(fù)合物，其厚度為60 nm。
[0024](3)減反射層的制備:吸收層制備完畢后，以純度99.99%的Al2O3作為磁控濺射靶材，控制Al2O3靶材的濺射功率密度在5 W/cm—2，濺射沉積時(shí)氬氣的進(jìn)氣量為100 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100 nm。
[0025]該太陽(yáng)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0.11;在高真空度下，經(jīng)500°C長(zhǎng)時(shí)間保溫后涂層的吸收率，發(fā)射率未發(fā)生明顯變化。
[0026]實(shí)施例3
一種碳化鈦-碳化鎢紫色太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，從底層到表面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。吸收層材料為碳化鈦和碳化鎢的復(fù)合物，該復(fù)合物利用雙靶共濺射制備，其中碳化鈦采用直流磁控濺射方法制備，碳化鎢采用射頻磁控濺射方法制備；吸收層復(fù)合物的厚度為90 nm，吸收層復(fù)合物中鋯原子百分比為15%。減反射層材料為氧化鋁，采用射頻磁控濺射方法制備，厚度為50 nm。
[0027]上述碳化鈦-碳化鎢紫色太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的制備方法，包括以下工藝步驟:
(I)吸熱體基底的處理:選用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)獯蹈桑婵毡４?，待用?br>[0028](2)吸收層的制備:采用純度99.99%碳化鈦和碳化鎢作為磁控濺射靶材;碳化鈦靶材采用直流磁控濺射，碳化鎢靶材采用射頻磁控濺射方法，利用共濺射方法制備吸收層。將真空室預(yù)抽本底真空至7.0*10—6 Torr;調(diào)整碳化鈦靶材的濺射功率密度為6.0W/cm—2，碳化鎢靶材的濺射功率密度為5W/cm—2，濺射沉積時(shí)氬氣的進(jìn)氣量為20 sccm，開始在吸熱體基底上沉積碳化鈦和碳化鎢的復(fù)合物，其厚度為90 nm;
(3 )減反射層的制備:吸收層制備完畢后，以純度99.99%的Al2O3作為磁控濺射靶材，控制Al2O3靶材的濺射功率密度在10 W/cm—2，濺射沉積時(shí)氬氣的進(jìn)氣量為20 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 nm。
[0029]該太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的光學(xué)性能如下:在大氣質(zhì)量因子AMl.5條件下，涂層吸收率為0.92，發(fā)射率為0.10；在高真空度下，經(jīng)5000C長(zhǎng)時(shí)間保溫后涂層的吸收率，發(fā)射率未發(fā)生明顯變化。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種碳化鈦-碳化鎢紫色太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其特征在于:從底層到表面依次包括吸熱體基底、吸收層和減反射層;所述的吸收層材料為碳化鈦和碳化鎢的復(fù)合物，所述的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-碳化鎢紫色太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其特征在于:所述的吸收層厚度為60-90 nm03.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種碳化鈦-碳化鎢紫色太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其特征在于:所述的吸收層復(fù)合物中鎢原子百分比為8-15%。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種碳化鈦-碳化鎢紫色太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其特征在于:所述的減反射層厚度為50-100 nm05.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種碳化鈦-碳化鎢紫色太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其特征在于:所述的減反射層厚度為50-100 nm06.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種碳化鈦-碳化鎢紫色太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其特征在于:所述吸熱體基底為拋光不銹鋼片。7.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種碳化鈦-碳化鎢紫色太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其特征在于:所述的吸收層該復(fù)合物利用雙靶共濺射制備，其中碳化鈦采用直流磁控濺射方法制備，碳化鎢采用射頻磁控濺射方法制備;所述的減反射層采用射頻磁控濺射方法制備。8.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的一種碳化鈦-碳化鎢紫色太陽(yáng)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，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:采用純度為99.99%的碳化鈦和碳化鎢作為磁控濺射靶材;采用雙靶共濺射方法制備吸收層，其中碳化鈦采用直流磁控濺射，碳化鎢采用射頻磁控濺射方法，將真空室預(yù)抽本底真空至1.0*10—6-7.0*10—6 Torr;調(diào)整碳化鈦靶材的濺射功率密度為6-10W/cm—2，碳化鎢靶材的濺射功率密度為2-5 W/cm—2，濺射沉積時(shí)氬氣的進(jìn)氣量為20-100sccm，開始在吸熱體基底上沉積碳化鈦和碳化鎢的復(fù)合物； (3)減反射層的制備:吸收層制備完畢后，以純度99.99%的Al2O3作為磁控濺射靶材，控制Al2O3靶材的濺射功率密度在5-10 W/cm—2，濺射沉積時(shí)氬氣的進(jìn)氣量為20-100 sccm，采用射頻磁控濺射在吸收層上濺射制備減反射層。
【文檔編號(hào)】C23C28/04GK106086882SQ201610418110
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月15日 公開號(hào)201610418110.9, CN 106086882 A, CN 106086882A, CN 201610418110, CN-A-106086882, CN106086882 A, CN106086882A, CN201610418110, CN201610418110.9
【發(fā)明人】高祥虎, 劉剛, 郭志明, 耿慶芬, 馬鵬軍, 王愛勤
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所