專利名稱：一種太陽能中高溫選擇性吸熱涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能熱利用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及利用磁控濺射沉積技術(shù)制備的高穩(wěn)定性的太陽能中高溫選擇性吸熱涂層。
背景技術(shù)：
太陽能選擇性吸熱涂層在太陽光譜范圍(O. 3^2. 5微米)具有較高的吸收率α，在紅外趨于(2 50微米)具有低的發(fā)射率ε，它能把低能量密度的太陽能轉(zhuǎn)換成高能量密度的熱能，把太陽能收集起來，提高太陽能光熱轉(zhuǎn)換效率。太陽能吸熱涂層被應(yīng)用到太陽能集熱設(shè)備上，分為低溫，中溫和高溫利用涂層。工作溫度越高，其熱轉(zhuǎn)化效率也就越高，太陽能熱利用朝中高溫方向發(fā)展是必然的趨勢。當(dāng)今我國在中低溫太陽能吸熱涂層的制備方面已經(jīng)具備成熟的技術(shù)。Α1/Α1Ν漸變涂層和 SS-AlN干涉吸收涂層已經(jīng)在真空管太陽能熱水器領(lǐng)域大面積推廣使用。但是在中高溫?zé)崂妙I(lǐng)域，我國在涂層制備方面技術(shù)仍不成熟，研制具有高溫穩(wěn)定性能的太陽能吸熱涂層是太陽能熱利用領(lǐng)域工作者努力的方向。根據(jù)吸收太陽光的原理和膜層結(jié)構(gòu)的不同，選擇性吸收膜層的基本類型有半導(dǎo)體膜層；干涉膜層；多層漸變膜層；金屬陶瓷膜層；多孔膜層。其中的金屬陶瓷膜層復(fù)合膜層，具有良好的熱穩(wěn)定性，主要應(yīng)用在中高溫領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種在大氣環(huán)境中具有高穩(wěn)定性的太陽能中高溫選擇性吸熱涂層。
本發(fā)明涂層涂布在太陽能集熱元件的基底上，涂層自基底向上包括紅外反射層，吸收層，介質(zhì)減反層。底層的紅外反射層是鋁合金(MxAlh),其中M選自Si、Cr、Ni中的一種，χ的變化范圍為O. 25、. 65，其作用是反射紅外光譜，降低涂層的熱發(fā)射率。所述吸收層是鋁合金填充的鋁合金的氮化物或氧化物或氮氧化物，，采取兩層或兩層以上疊加而成，各層分別選自(MxAVx) -MxAl1^xN, (MxAlh) -MxAl1^xO, (MxAVx) I—MxAlhON三種薄膜中的一種、兩種或三種，其中下標(biāo)I代表該種Al合金在吸收層中的填充因子。從紅外反射層向上各層的Al合金在吸收層中的填充因子依次降低，依次從高吸收層過渡到低吸收層，實(shí)現(xiàn)漸變吸收。各單層吸收層的厚度在l(Tl20nm之間。(MxAVx) -MxAl1^xN吸收層的制備采用MxAVx合金靶與N2反應(yīng)共濺射；(MxAVx)-MxAl1^xO吸收層，其特征在于采用MxAlh合金靶與O2反應(yīng)共濺射；(MxAlh) ΛΑ1ι-χ0Ν吸收層的制備采用MxAlh合金靶在氮氧混合氣氛中反應(yīng)共濺射。較低流量的反應(yīng)氣體得到高吸收層，y值為O. 2^0. 6 ;較高流量反應(yīng)氣體流量得到低吸收層，y值為O. 05、. 2。介質(zhì)減反層采用A1N，SiO2, Si3N4, Al2O3中的一種，其厚度在2(Tl00nm之間。本發(fā)明涂層制備時(shí)采用磁控濺射技術(shù)，在清洗后的玻璃或不銹鋼基片上制備選擇性吸熱涂層。基底金屬紅外反射層厚度不小于70nm。并通過改變反應(yīng)氣體流量制備高吸收層和低吸收層，同時(shí)通過濺射時(shí)間調(diào)節(jié)各層厚度。最后在吸收層上濺射沉積2(Tl00nm的減反層。本發(fā)明涂層具有較高的熱穩(wěn)定性，非常適合用太陽能中高溫利用。此外，該發(fā)明涂層制備工藝簡單，成本適中。


圖I為本發(fā)明所述太陽能吸熱涂層結(jié)構(gòu)示意圖。底層表面為基底1，金屬反射層2，高吸收層3，中吸收層4，低吸收層5以及表面減反層6，其中3，4和5共同組成吸收層。圖2為本發(fā)明實(shí)施例I太陽能吸熱涂層在空氣環(huán)境中熱處理前后的反射光譜對比圖，實(shí)線為熱處理前的反射光譜圖，虛線為熱處理后的反射光譜圖。 圖3為本發(fā)明實(shí)施例I選擇性吸熱涂層的掃描電鏡圖像。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步說明。以下實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。實(shí)施例I膜層的制備采用磁控濺射的方式。濺射室安裝有兩個(gè)陰極靶，分別是鋁靶，鉻鋁(Cra3Ala7)合金靶。在制備的過程中保持鉻鋁靶功率不變，改變反應(yīng)氣體流量實(shí)現(xiàn)組分比例I的改變。首先在玻璃基底上采用非反應(yīng)濺射沉積一層厚度約IOOnm的Cra3Ala7合金紅外聞反層。接著通入N2反應(yīng)灘射制備弟一層吸收層(Cr。. 3Α1α 7) ο.45_CrQ. 3A10.7N，厚度約為IOOnm0再接著同時(shí)通入N2和O2制備第二層吸收層(Cr0.3A10.7)0.25—Cr0.3A10.70N,該層厚度約為65nm。關(guān)閉N2,只通入O2制備最后一層吸收層(Cr3Ala7) Q. 18-CrQ.3AlQ.70,厚度約為30nm。后關(guān)閉鉻鋁合金靶，開啟鋁靶，反應(yīng)濺射制備減反層Al2O3,該層厚度約為40nm。將涂層至于400攝氏度大氣環(huán)境中老化70小時(shí)后自然冷卻。測試結(jié)果表明吸收率為O. 96，發(fā)射率為O. 04，涂層具有良好的熱穩(wěn)定性。如圖I所不，本實(shí)施例涂層結(jié)構(gòu)為從基底到表面依次為基底I，紅外反射層2,聞吸收層3，中吸收層4，低吸收層5以及減反層6。圖2為熱處理前后涂層反射光譜的對照，實(shí)線為熱處理前的反射光譜圖，虛線為熱處理后的反射光譜圖。圖3為制備的吸熱涂層退火后的掃描電鏡圖像，圖中顯示涂層結(jié)構(gòu)非常致密，表現(xiàn)出非常好的熱穩(wěn)定性。實(shí)施例2膜層制備采用磁控濺射方式。濺射室安裝有兩個(gè)陰極靶，分別是鋁靶，鉻鋁(Cra25Ala75)合金靶。在制備的過程中保持鉻鋁靶功率不變，改變反應(yīng)氣體流量實(shí)現(xiàn)組分比例I的改變。首先在玻璃基底上采用非反應(yīng)濺射沉積一層厚度約70nm的Cra25Ala75合金紅外高反層。接著通入N2反應(yīng)濺射制備第一層高吸收層(Cra25Ala75)a2-Cra25Ala75N,厚度約為10nm，接著增加N2流量，制備厚度約為30nm的低吸收層(Cra25Ala 75) 0.05_Cr0.25Al0.75N。最后關(guān)閉鉻鋁合金靶，開啟鋁靶制備厚度約為20nm的介質(zhì)減反層A1N。測試結(jié)果表明，涂層的吸收率為O. 94，常溫下發(fā)射率為O. 05。
實(shí)施例3膜層制備采用磁控濺射方式。濺射室安裝有兩個(gè)陰極靶，分別是鋁靶，鎳鋁(Nia65Ala35)合金靶。在制備的過程中保持鎳鋁靶功率不變，改變反應(yīng)氣體流量實(shí)現(xiàn)組分比例的改變。首先在玻璃基底上采用非反應(yīng)濺射沉積一層厚度約150nm的Nia65Ala35合金紅外高反層，接著通入N2反應(yīng)濺射制備第一層高吸收層(Nia 65A10.35) ο. 6—Ni0. 65A1o. 35N,厚度約為55nm，接著增加N2流量，制備厚度約為120nm的低吸收層(Nia65Ala35) 0.2—Nia65Al0.35N。最后關(guān)閉鎳鋁合金靶，開啟鋁靶制備厚度約為IOOnm的介質(zhì)減反層A1N。測試結(jié)果表明，涂層的吸收率為O. 95，常溫下發(fā)射率為O. 07。實(shí)施例4膜層制備采用磁控濺射方式。濺射室安裝有兩個(gè)陰極靶，分別是鋁靶，鎳鋁(Nia34Ala66)合金靶。在制備的過程中保持鎳鋁靶功率不變，改變反應(yīng)氣體流量實(shí)現(xiàn)組分比例的改變。首先在不銹鋼基底上采用非反應(yīng)濺射沉積一層厚度約73nm的Nia 34Α1α66合金紅外高反層。接著通入O2反應(yīng)濺射制備第一層高吸收層(Nia34Ala66)a45-Nia34Ala6fw，厚度 約為50nm，接著增加O2流量，制備厚度約為25nm的低吸收層(Nia34Ala66) Cll5-Nia34Ala66t^最后關(guān)閉鎳鋁合金靶，開啟鋁靶制備厚度約為21nm的介質(zhì)減反層A1203。測試結(jié)果表明，涂層的吸收率為O. 93，常溫下發(fā)射率為O. 04。實(shí)施例5膜層制備采用磁控濺射方式。濺射室安裝有兩個(gè)陰極靶，分別是鋁靶，硅鋁(Sia45Ala55)合金靶。在制備的過程中保持硅鋁靶功率不變，改變反應(yīng)氣體流量實(shí)現(xiàn)組分比例的改變。首先在玻璃基底上采用非反應(yīng)濺射沉積一層厚度約148nm的Sia45Ala55合金紅外高反層。接著通入N2和O2反應(yīng)濺射制備第一層高吸收層(Sia 45A10.55)0.39—Si0.45A10.550N，厚度約為120nm,接著增加流量，制備厚度約為52nm的低吸收層(Sia45Ala 55) O. 10—Sia45Ala550N。最后關(guān)閉硅鋁合金靶，啟動(dòng)鋁靶制備厚度約為IOOnm的介質(zhì)減反層A1N。測試結(jié)果表明，涂層的吸收率為O. 94，常溫下發(fā)射率為O. 08。
權(quán)利要求
1.一種太陽能中高溫選擇性吸熱涂層，涂布在太陽能元件的基底上，涂層自基底向上包括紅外反射層、吸收層、介質(zhì)減反層，其特征在于所述紅外反射層為鋁合金層MxAlh,其中M選自Si、Cr、Ni中的ー種；所述吸收層是鋁合金填充的鋁合金的氮化物或氧化物或氮氧化物，吸收層采取兩層或兩層以上疊加而成，從紅外反射層向上各層的Al合金在吸收層中的填充因子依次降低，各層分別選自不同X和y的(MxAVx)y—MxAlhN, (MxAl1^x)-MxAl1^xO,(MxAlh) -MxAl1^xON三種薄膜中的ー種、兩種或三種，其中下標(biāo)y代表該種Al合金在吸收層中的填充因子。
2.如權(quán)利要求I所述的太陽能中高溫選擇性吸熱涂層，其特征在于，所述太陽能紅外反射層為MxAlh合金層，X的變化范圍為0. 25、. 65，采用MxAlh合金靶濺射制備。
3.如權(quán)利要求I所述的太陽能中高溫選擇性吸熱涂層，其特征在于，吸收層的三種薄膜(MxAl1^)y — MxAVxN, (MxAl1^x) -MxAl1^xO, (MxAl1^x) -MxAl1^xON,均由高填充因子和低填充因子組成，高填充因子為高吸收層，低填充因子為低吸收層。
4.如權(quán)利要求I所述的太陽能中高溫選擇性吸熱涂層，其特征在于，所述(MxAlh),-MxAlhN吸收層，采用MxAVx合金靶與N2反應(yīng)共濺射制備，X的變化范圍為0. 25、. 65，y的變化范圍為0. 02、. 6。
5.如權(quán)利要求I所述的太陽能中高溫選擇性吸熱涂層，其特征在于，所述(MxAlh)Y-MxAlhO吸收層，采用MxAlh合金靶與O2反應(yīng)共濺射，X的變化范圍為0. 25、. 65，y的變化范圍為0. 02^0. 6。
6.如權(quán)利要求I所述的太陽能中高溫選擇性吸熱涂層，其特征在于，所述(MxAlh)Y-MxAlhON吸收層采用MxAlh合金靶在氮氧混合氣氛中反應(yīng)濺射，X的變化范圍為0.25 0. 65，y的變化范圍為0. 02 0. 6。
7.如權(quán)利要求I所述的太陽能中高溫選擇性吸熱涂層，其特征在于，所述(MxAlh)-MxAVxN, (MxAl1^x) -MxAl1^xON, (MxAU y— MxAVxO 三種薄膜的厚度分別在 10 120nm 之間。
8.如權(quán)利要求4-7之任一所述的太陽能中高溫選擇性吸熱涂層，其特征在于，所述高吸收層和低吸收層通過調(diào)整反應(yīng)氣體N2或O2或氮氧混合氣氛的流量實(shí)現(xiàn)，高吸收層I值為0.2 0. 6 ;低吸收層y值為0. 05 0. 2。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種在大氣環(huán)境中具有高穩(wěn)定性的太陽能中高溫選擇性吸熱涂層。涂布在太陽能集熱元件的基底上，涂層自基底向上包括紅外反射層、吸收層、介質(zhì)減反層，其特征在于所述的紅外反射層為鋁合金層MxAl1-x，其中M選自Si、Cr、Ni三種中的一種；吸收層是鋁合金填充的鋁合金的氮化物或氧化物或氮氧化物，采取兩層或兩層以上疊加而成，從紅外反射層向上各層的Al合金在吸收層中的填充因子依次降低，選自不同x和y的(MxAl1-x)y—MxAl1-xN,(MxAl1-x)y—MxAl1-xO，(MxAl1-x)y—MxAl1-xON三種薄膜中的一種、兩種或三種，其中下標(biāo)y代表該種Al合金在吸收層中的填充因子。該涂層具有較高的熱穩(wěn)定性，非常適合用太陽能中高溫利用。此外，該發(fā)明涂層制備工藝簡單，成本適中。
文檔編號F24J2/48GK102734956SQ20121021439
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月26日
發(fā)明者侯乃升, 呂錫山, 徐剛, 熊斌 申請人:四川中科百博太陽能科技有限公司