CN101886848B - 一种太阳光谱选择性吸收膜及其制备方法 - Google Patents

一种太阳光谱选择性吸收膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种太阳光谱选择性吸收膜，包括一个覆膜基体，在该基体表面上由内向外依次覆盖红外反射层、吸收层、减反射层；其特征在于：所述的红外反射层是包含有铜元素或者铝元素的溅射沉积层，所述的吸收层是包含有铝氮团簇+镍氮团簇+铬氮团簇+铝镍铬团簇的溅射沉积层；所述的减反射层是包含有铝氮团簇+铝氮氧团簇的溅射沉积层。本发明采用镍铬合金靶、铝合金靶、铜靶的溅射工艺；采用本发明的太阳能集热管对太阳光谱的全色吸收率α≥92％，总发射率ε≤5％，太阳能集热管空晒性能可以提高24.33％。可常年在不高于400℃的温度下使用。

Description

一种太阳光谱选择性吸收膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种太阳光谱选择性吸收膜及其制备方法，本发明采用磁控溅射镀膜工艺在覆膜基体上沉积生成具有红外反射层、吸收层、减反射层的太阳光谱选择性吸收膜。
背景技术
现有的太阳光谱选择性吸收涂层通常包括反射层、吸收层、减反射层。中国专利01138135.3公开了一种太阳光谱选择性吸收涂层，包括反射层，吸收层，减反射层，其吸收层是以钛及合金铝为阴极在氮气、空气、氮气+氧气气氛中溅射而成的铝氮+钛氮一铝钛[(AlN+TiN)-AlTil膜及铝氮氧十钛氮氧一铝钛[(AlNO+TiNO)-AlTil膜，其减反射层为铝氮+钛氮(AlN+TiN)膜及铝氮氧+钛氮氧(Al-NO+TiNO)膜。本发明制备的太阳光谱选择性吸收涂层在大气状态下经350℃，250小时，或400℃，50小时，或450℃，80小时烘烤后，其太阳吸收比α都可达0.93以上，发射率ε＝0.06～0.10(80℃)。该发明以玻璃或光亮金属为基体材料，钛及合金铝为阴极，钛∶铝＝0.01～0.90。但是该专利制备选择性吸收涂层需要较长的溅镀时间或是较大耗电功率，并且，吸收比和发射率的性能仍然不够理想。因此，有必要提供一种新的太阳光谱选择性吸收膜及其制备方法以克服上述不足。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种太阳光谱选择性吸收膜，该太阳光谱选择性吸收膜包括在覆膜基体的表面上设置红外反射层、吸收层、减反射层；该选择性吸收膜对太阳光谱具有较高的吸收率和较低的发射率及较高的热稳定性。
本发明的一个目的是由下述技术方案实现的：一种太阳光谱选择性吸收膜，包括一个覆膜基体，在该基体表面上由内向外依次覆盖红外反射层、吸收层、减反射层；所述的红外反射层是包含有铜元素或者铝元素的溅射沉积层，所述的吸收层是包含有铝氮团簇+镍氮团簇+铬氮团簇+铝镍铬团簇的溅射沉积层；所述的减反射层是包含有铝氮团簇+铝氮氧团簇的溅射沉积层。
本发明的另一个目的在于提供一种太阳光谱选择性吸收膜的制备方法，在磁控溅射镀膜装置中采用镍铬合金靶、铝合金靶、铜靶，在覆膜基体表面上生成的溅射沉积物中含有铝氮团簇+镍氮团簇+铬氮团簇+铝镍铬团簇。
本发明的另一个目的是由下述技术方案实现的：一种太阳光谱选择性吸收膜的制备方法，其特征在于：
A、将覆膜基体安装到磁控溅射镀膜装置的镀膜室内，该镀膜室内的真空度设置为0.0060Pa～0.0070Pa，该磁控溅射镀膜机包括一个镍铬合金靶、一个铝合金靶、一个铜靶；
B、向所述的镀膜室输入氩气，使溅射反应气氛稳定在0.020Pa～0.32Pa，接通铜靶电源，溅射反应8-10分钟；
C、接通镍铬合金靶和铝合金靶电源，向所述的镀膜室输入氮气，溅射反应10-14分钟，并且逐渐增加氮气的输入量，使覆膜基体表面上的溅射沉积物最外层中的镍元素、铝元素、铬元素逐渐减少，最终趋近于零；
D、接通铝合金靶电源，向所述的镀膜室输入氮气和氧气，使覆膜基体表面上的溅射沉积物最外表面生成一稳定的氮化物+氧化物；
E、启动烘烤装置，烘烤装置内的真空度设置为0.0060Pa～0.0067Pa，烘烤温度设置为380℃～420℃，对覆膜基体上的溅射沉积物烘烤处理2.5～3小时，生成太阳光谱选择性吸收膜；所述选择性吸收膜包括红外反射层、吸收层、减反射层；所述的红外反射层是包含有铜元素或者铝元素的溅射沉积层，所述的吸收层是包含有铝氮团簇+镍氮团簇+铬氮团簇+铝镍铬团簇的溅射沉积层；所述的减反射层是包含有铝氮团簇+铝氮氧团簇的溅射沉积层。
本发明与已有技术相比具有如下优点：
1、由于本发明的选择性吸收膜采用镍铬合金靶+铝合金靶+铜靶制备，该吸收膜对太阳光谱的吸收有极好的效果，有优异的耐高温能力和热稳定性能，并且价格低廉。
2、本发明的选择性吸收膜对太阳光谱的全色吸收率α≥92％，总发射率ε≤5％，涂层抗老化，热性能稳定，可在不高于400℃的温度下使用。
3、使用本发明镀膜的太阳能集热管的空晒性能可以提高24.33％。
附图说明
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的结构示意图
图2是本发明的玻璃内管结构示意图
具体实施方式
实施例一：
一种太阳光谱选择性吸收膜，包括一个覆膜基体，在该基体表面上由内向外依次覆盖红外反射层、吸收层、减反射层(通常是2个减反射层)；所述的红外反射层是包含有铜元素或者铝元素的溅射沉积层(Al+Cu)，所述的吸收层是包含有铝氮团簇+镍氮团簇+铬氮团簇+铝镍铬团簇的溅射沉积层(AlN+NiN+CrN+AlNiCr)；所述的减反射层是包含有铝氮团簇+铝氮氧团簇的溅射沉积层(AlN+AlNO)。参见图1，覆膜基体是一平面吸热板1，其上由内向外依次覆盖红外反射层2、吸收层3、减反射层4；所述的红外反射层的厚度为70～90纳米(nm)；所述的吸收层的厚度为80～200纳米；所述的减反射层厚度为40～80纳米。所述厚度单位也可以表示为10-9M。所述涂层厚度值可以在上述范围内根据实际需要灵活选择，在此不一一枚举。
实施例二：
参见图2，本发明覆膜基体是一个太阳能真空集热管中的玻璃内管10，图2是玻璃内管的横截面剖视图，仅显示玻璃内管及涂层结构，不显示玻璃外管，所述的玻璃内管外表面上由内向外依次覆盖红外反射层20、吸收层30、减反射层40；在本实施例中，所述的红外反射层的厚度为70～90纳米，最佳厚度是90纳米；所述的吸收层的厚度为80～120纳米，最佳厚度是120纳米；所述的减反射层厚度为40～60纳米，最佳厚度是60纳米。
在本实施例中，使用本发明所述方法镀膜的玻璃内管与普通集热管的玻璃内管对比的实验数据如下：
Figure G200910083766XD00031
根据上述实验数据显示，使用本发明所述方法镀膜的太阳能集热管空晒性能可以提高24.33％。
当本发明的玻璃内管中的介质采用导热油时，该太阳能集热管可在不高于400℃的温度下使用。
实施例三：
一种太阳光谱选择性吸收膜的制备方法，本实施例中使用的磁控溅射镀膜装置是沈阳生产的850型磁控溅射镀膜机，应用这种设备时所使用的氮气稳定量是200SCCM(SCCM-标准状态下每分钟流入的气体毫升数)。覆膜基体是太阳能真空集热管中的玻璃内管。在其它实施例中，覆膜基体还可以是金属管，金属板或者是玻璃板。
其操作步骤是：
A、将覆膜基体安装到磁控溅射镀膜装置的镀膜室内，该镀膜室内的真空度设置为0.0065Pa，该磁控溅射镀膜机包括一个镍铬合金靶、一个铝合金靶、(其型号是国产LY11-13)、一个铜靶；真空度也可以表示为0.0065帕，真空度还可以在0.0060Pa～0.0070Pa范围内根据实际需要灵活选择；
B、向所述的镀膜室输入氩气，使溅射反应气氛稳定在0.25Pa，接通铜靶电源，溅镀电流为45A(安培)，溅射反应时间不低于8分钟；溅射反应气氛还可以在0.20Pa～0.32Pa范围内根据实际需要灵活选择；
C、接通镍铬合金靶和铝合金靶电源，溅镀电流为40A，向所述的镀膜室输入氮气，溅射反应时间10-14分钟，并且逐渐增加氮气的输入量，逐渐减少填充因子的量，使覆膜基体表面上的溅射沉积物最外层中的镍元素、铝元素、铬元素逐渐减少，最终趋近于零；
D、接通铝合金靶电源，向所述的镀膜室输入氮气和氧气，使覆膜基体表面上的溅射沉积物最外表面生成一稳定的氮化物+氧化物；
E、启动烘烤装置，按每分钟10℃-15℃的升温速率升温，烘烤装置内的真空度设置为0.0060Pa(还可以在0.0060Pa～0.0067Pa范围内根据实际需要灵活选择)，烘烤温度设置为400℃(也可以在380℃～420℃范围内根据实际需要灵活选择)，对覆膜基体上的溅射沉积物烘烤处理2.5～3小时，最佳时间是2.8小时，经过烘烤处理，溅射沉积物最终生成太阳光谱选择性吸收膜；所述选择性吸收膜包括红外反射层、吸收层、减反射层；所述的红外反射层是包含有铜元素或者铝元素的溅射沉积层，所述的吸收层是包含有铝氮团簇+镍氮团簇+铬氮团簇+铝镍铬团簇的溅射沉积层；所述的减反射层是包含有铝氮团簇+铝氮氧团簇的溅射沉积层(通常是2个减反射层)。本实施例的烘烤装置属于常规的设备，可以是安装在磁控溅射镀膜机系统中的一个烘烤工序段，也可以是一个与磁控溅射镀膜机系统相对独立的设备，在此不详细描述。

Claims (3)

1.一种太阳光谱选择性吸收膜，包括一个覆膜基体，在该基体表面上由内向外依次覆盖红外反射层、吸收层、减反射层；其特征在于：所述的红外反射层是包含有铜元素或者铝元素的溅射沉积层，所述的吸收层是包含有铝氮团簇+镍氮团簇+铬氮团簇+铝镍铬团簇的溅射沉积层；所述的减反射层是包含有铝氮团簇+铝氮氧团簇的溅射沉积层；
所述太阳光谱选择性吸收膜的制备步骤是：
A、将覆膜基体安装到磁控溅射镀膜机的镀膜室内，该镀膜室内的真空度设置为0.0060Pa～0.0070Pa，该磁控溅射镀膜机包括一个镍铬合金靶、一个铝合金靶、一个铜靶；
B、向所述的镀膜室输入氩气，使溅射反应气氛稳定在0.020 Pa～0.32Pa，接通铜靶电源，溅射反应8－10分钟；
C、接通镍铬合金靶和铝合金靶电源，向所述的镀膜室输入氮气，溅射反应10－14分钟，并且逐渐增加氮气的输入量，使覆膜基体表面上的溅射沉积物最外层中的镍元素、铝元素、铬元素逐渐减少，最终趋近于零； 
D、接通铝合金靶电源，向所述的镀膜室输入氮气和氧气，使覆膜基体表面上的溅射沉积物最外表面生成一稳定的氮化物＋氧化物；
E、启动烘烤装置，烘烤装置内的真空度设置为0.0060Pa～0.0067Pa，烘烤温度设置为380℃～420℃，对覆膜基体上的溅射沉积物烘烤处理2.5～3小时，生成太阳光谱选择性吸收膜。
2.根据权利要求1所述的选择性吸收膜，其特征在于：所述的红外反射层的厚度为70～90纳米；所述的吸收层的厚度为80～200纳米；所述的减反射层厚度为40～80纳米。
3.一种太阳光谱选择性吸收膜的制备方法，其特征在于： 
A、将覆膜基体安装到磁控溅射镀膜机的镀膜室内，该镀膜室内的真空度设置为0.0060Pa～0.0070Pa，该磁控溅射镀膜机包括一个镍铬合金靶、一个铝合金靶、一个铜靶；
B、向所述的镀膜室输入氩气，使溅射反应气氛稳定在0.020 Pa～0.32Pa，接通铜靶电源，溅射反应8－10分钟；
C、接通镍铬合金靶和铝合金靶电源，向所述的镀膜室输入氮气，溅射反应10－14分钟，并且逐渐增加氮气的输入量，使覆膜基体表面上的溅射沉积物最外层中的镍元素、铝元素、铬元素逐渐减少，最终趋近于零； 
D、接通铝合金靶电源，向所述的镀膜室输入氮气和氧气，使覆膜基体表面上的溅射沉积物最外表面生成一稳定的氮化物＋氧化物；
E、启动烘烤装置，烘烤装置内的真空度设置为0.0060Pa～0.0067Pa，烘烤温度设置为380℃～420℃，对覆膜基体上的溅射沉积物烘烤处理2.5～3小时，生成太阳光谱选择性吸收膜；所述选择性吸收膜包括红外反射层、吸收层、减反射层；所述的红外反射层是包含有铜元素或者铝元素的溅射沉积层，所述的吸收层是包含有铝氮团簇+镍氮团簇+铬氮团簇+铝镍铬团簇的溅射沉积层；所述的减反射层是包含有铝氮团簇+铝氮氧团簇的溅射沉积层。
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