CN102121125A

CN102121125A - 对太阳光选择性吸收的复合材料

Info

Publication number: CN102121125A
Application number: CN 201110038133
Authority: CN
Inventors: 蔡伟民; 丁大伟
Original assignee: Ai Di Environmental Technology (shanghai) Co Ltd
Current assignee: Ai Di Environmental Technology (shanghai) Co Ltd
Priority date: 2011-02-15
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2011-07-13

Abstract

一种太阳能光热转化技术领域的对太阳光选择性吸收的复合材料，其组分及含量为：铬元素15.0％-34.8wt％、镍元素4.5％-6.6wt％、硅元素2.0％-3.0％、氧元素6.4％-18.0wt％，其余为铁元素。本发明在100℃～300℃的空气环境中具有良好的热稳定性，光学性能不变。制备该材料的方法简捷，反应条件易控制，适合大规模生产。

Description

对太阳光选择性吸收的复合材料

技术领域

本发明涉及的是一种太阳能光热转化技术领域的材料，具体是一种对太阳光选择性吸收的复合材料。

背景技术

太阳辐射蕴含着巨大的能量，地球每一小时接收的太阳能相当于人类一年的能耗。太阳能利用的一个思路是将太阳光能量高的紫外线、可见光和近红外线转化为热能，这是一个选择性吸收过程。材料-入射光之间的相互作用包括材料原子外层电子吸收紫外线或较高能量的可见光，材料晶格与入射光发生的光子-声子耦合等，这些作用的结果是材料的内能增加，宏观现象是温度升高，通过流体等介质可将热存储起来，可用于供暖、发电等。太阳能光热转化的研究趋势是向高温(300℃以上)发展，高的工作温度有利于提高转化效率，拓宽利用范围，同时对涂层材料的热稳定性和抗氧化性的要求也提高了，很多在低温环境性能良好的涂层在高温环境中结构发生很大变化，致使光热转化性能急剧下降。

选择性吸收涂层可大致归为六类：1本体吸收，2半导体-金属渐变涂层，3多层吸收层，4多层金属-陶瓷层，5表面造型(surface texturing)，6在类似黑体吸收层上面加一层选择性透过涂层。无论哪一类涂层，其设计旨在尽量减少涂层在太阳辐射区的反射率，提高材料本身对光能的吸收转化，同时还要求材料组分在工作温度下的热稳定高，抗氧化性强。因此，一种选择性吸波涂层的设计需要综合考虑上述多个因素。

一些过渡元素金属和半导体具有本体吸收的特性，但都必须加以表面修饰才能用于本体吸收涂层。与入射光波波长在一个数量级的针状，树枝状，多孔结构同时表现出波长和方向的选择性。这种几何形状起重要作用的选择吸收特性受温度、氧化等因素的影响较小。由于材料本身的高温热稳定性使得具有特殊表面结构的本体吸收涂层在高温光热转化中有很大的优势。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种对太阳光选择性吸收的复合材料，在100℃～300℃的空气环境中具有良好的热稳定性，光学性能不变。该制备方法简捷，反应条件易控制，适合大规模生产。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的组分为铬元素、镍元素、硅元素、氧元素和铁元素，其含量为：铬元素15.0％-34.8wt％、镍元素4.5％-6.6wt％、氧元素6.4％-18.0wt％、硅元素2.0％-3.0％，其余为铁元素。

所述的复合材料的太阳光吸收比α＝0.911～0.945，热发射比ε在100℃时为0.079～0.132；工作环境为空气气氛且温度100℃～350℃。

所述的铁元素和铬元素分别以氧化态的Fe³⁺和Cr³⁺存在于复合材料中，镍元素、铁元素和氧元素以Fe-Ni-O化学键形成具有尖晶石结构的NiFe₂O₄，硅以单质形态存在于复合材料中。

所述的复合材料的表面结构由锥体排列构成，锥体的高度为50～200纳米，相邻锥体底面中心间距为50～150纳米。这种结构有利于光波进入涂层后多次在材料表面反射，逐步被具有体吸收性的复合材料吸收。

本发明所述复合材料在100～350℃下结构稳定，难氧化，耐腐蚀，即使在空气气氛中长期使用其光学性质也不会有明显变化。

本发明采用自组装技术来构造所述复合材料涂层结构。在合金表面通过控制腐蚀速度和腐蚀方向，引导合金体系中的Cr，Ni，Fe，硅金属元素进行氧化还原反应并且在合金表面重新组装，形成了具有锥体结构的Fe₂O₃、Cr₂O₃、NiFe₂O₄、硅复合材料。

附图说明

图1为实施例1复合材料涂层的表面三维结构图。

图2为实施例1复合材料涂层在0.25-2.5微米范围内的光谱反射图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例中复合材料的组分及质量百分比为：Cr(34.8％)，Ni(6.6％)，Si(2.0％)，O(18.0％)，其余为Fe。涂层是以下所述方案实现的：以合金片(成份为：Cr：12％～18％；Ni：6％～10％；Si：0.45％～2.0％；Mn：2％；Mo：0.3％；P：0.03％；C：0.04％，余量为Fe，含不锈钢但不限于不锈钢)为工作电极，石墨板为对电极，铬酸(2.5mol/L)和硫酸(5mol/L)组成的腐蚀液，温度为50±1℃。对该体系施加一脉冲电压，正负电压脉宽比为1∶3，电流密度控制在15mA/cm²～30mA/cm²，腐蚀时间为30min。完毕，去离子水冲洗，60℃烘箱烘干。

涂层的表面形貌在原子力显微镜下观察得到，如图1所示，涂层表面凹凸不平，由类似金字塔的锥体排列构成，锥体高度100～150nm，底面中心间距50～100nm，粗糙的表面有利于太阳光的陷入，在多次内反射中逐渐被涂层中的复合材料吸收。

组成涂层的金属复合物为Cr₂O₃，Fe₂O₃，NiFe₂O₄和Si。

涂层的反射曲线如图2所示，以AM1.5太阳辐射谱线为参照，计算得到涂层的吸收比为0.945，发射比(20℃)为0.132。空气中300℃退火100小时后涂层的吸收比/发射比(20℃)为0.941/0.105。

实施例2

本实施例中复合材料的组分及质量百分比为：Cr(15.0％)，Ni(4.5％)，Si(2.3％)，O(6.4％)，其余为Fe。涂层的制备方案参见实施例1，电流密度控制在15mA/cm²～20mA/cm²，腐蚀时间为25min，其余步骤同实施例1。

涂层表面结构由类似金字塔的锥体排列构成，锥体高50～100nm，底面中心间距100～150nm。

组成涂层的金属复合物为Cr₂O₃，Fe₂O₃，NiFe₂O₄和Si。

以AM1.5太阳辐射谱线为参照，测定涂层的吸收比为0.911，发射比(20℃)为0.079。空气中300℃退火24小时后涂层的吸收/发射比无变化。

实施例3：

本实施例中复合材料的组分及质量百分比为：Cr(28.4％)，Ni(5.6％)，Si(3.0％)，O(12.3％)，其余为Fe。涂层的制备方案参见实施例1，电流密度控制在25mA/cm²～30mA/cm²，腐蚀时间为30min，其余步骤同实施例1。

涂层表面结构由类似金字塔的锥体排列构成，锥体高150～200nm，底面中心距150～200nm。

组成涂层的金属复合物为Cr₂O₃，Fe₂O₃和NiFe₂O₄和Si。

以AM1.5太阳辐射谱线为参照，测定涂层的吸收比为0.926，发射比(20℃)为0.132。空气中300℃退火100小时后涂层的吸收/发射比(20℃)为0.923/0.105。

Claims

1.一种对太阳光选择性吸收的复合材料，其特征在于，其组分为铬元素、镍元素、硅元素、氧元素和铁元素。

2.根据权利要求1所述的对太阳光选择性吸收的复合材料，其特征是，其含量为：铬元素15.0％-34.8wt％、镍元素4.5％-6.6wt％、硅元素2.0％-3.0％、氧元素6.4％-18.0wt％，其余为铁元素。

3.根据权利要求1或2所述的对太阳光选择性吸收的复合材料，其特征是，所述的铁元素和铬元素分别以氧化态的Fe³⁺和Cr³⁺存在于复合材料中。

4.根据权利要求1或2所述的对太阳光选择性吸收的复合材料，其特征是，所述的硅元素是以单质存在于复合材料中。

5.根据权利要求1或2所述的对太阳光选择性吸收的复合材料，其特征是，所述的复合材料的太阳光吸收比α＝0.911～0.945，热发射比ε在100℃时为0.079～0.132；工作环境为空气气氛且温度100℃～350℃。

6.根据权利要求1或2所述的对太阳光选择性吸收的复合材料，其特征是，所述的镍元素、铁元素和氧元素以Fe-Ni-O化学键形成具有尖晶石结构的NiFe₂O₄。

7.根据权利要求1或2所述的对太阳光选择性吸收的复合材料，其特征是，所述的复合材料的表面结构由锥体排列构成，锥体的高度为50～200纳米，相邻锥体底面中心间距为50～150纳米。