CN102122006B - 太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102122006B
CN102122006B CN2010102466366A CN201010246636A CN102122006B CN 102122006 B CN102122006 B CN 102122006B CN 2010102466366 A CN2010102466366 A CN 2010102466366A CN 201010246636 A CN201010246636 A CN 201010246636A CN 102122006 B CN102122006 B CN 102122006B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
purity
adopt
target
coating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN2010102466366A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102122006A (zh
Inventor
郝雷
杜淼
刘晓鹏
王树茂
蒋利军
吕芳
李志念
米菁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GRIMN Engineering Technology Research Institute Co Ltd
Original Assignee
Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals filed Critical Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Priority to CN2010102466366A priority Critical patent/CN102122006B/zh
Publication of CN102122006A publication Critical patent/CN102122006A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102122006B publication Critical patent/CN102122006B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S70/00—Details of absorbing elements
    • F24S70/20—Details of absorbing elements characterised by absorbing coatings; characterised by surface treatment for increasing absorption
    • F24S70/225—Details of absorbing elements characterised by absorbing coatings; characterised by surface treatment for increasing absorption for spectrally selective absorption
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers

Abstract

一种太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法，步骤为：(1)选取具铜或不锈钢作为基底材料；(2)选择耐高温氧化的TiAlN作为扩散阻挡层，以纯金属Cu或Al为高红外反射层，吸收层由两层不同金属氮化物导电粒子(TiAlN)体积百分数的导电粒子-陶瓷(AlN)复合层组成，以AlN为减反射层，以SiO2作为保护层；(3)针对不同的膜层材料通过控制气体流量和溅射功率等控制其成分和含量；(4)置入真空室前将基底材料超声10～30分钟，烘干；置入真空室后，100～120摄氏度烘烤10～30分钟，溅射前对其表面进行氩离子轰击。(5)获得具有多层结构的涂层，在太阳能光谱范围(0.3～2.5微米)具有高的吸收率α(0.95±0.02)，在红外区域(2.5～50微米)有很低的发射率ε(0.04±0.01)。

Description

太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能热利用材料技术领域，特别涉及到利用磁控反应溅射技术制备的主要由金属氮化物组成的、带有扩散阻挡层的中高温太阳光谱选择性吸收涂层。该涂层具有较好的光谱选择性吸收特性和良好的高温结构稳定性。该涂层可用于槽式太阳能热发电用集热管和非真空平板集热器中。
背景技术
太阳能选择性吸收涂层的特点是在太阳能光谱范围(0.3～2.5微米)具有较高的吸收率α，在红外区域(2.5～50微米)有很低的发射率ε。它能把低能量密度的太阳能转换成高能量密度的热能，把太阳能富集起来，提高太阳能光热转换效率，是太阳能热利用研究工作中受到重视的一项内容。
根据吸收太阳光的原理和涂层结构不同，选择性吸收涂层的基本类型有半导体涂层、光干涉涂层、多层渐变涂层、金属陶瓷涂层和多孔涂层。其中金属陶瓷复合涂层具有良好的热稳定性，主要应用在中高温领域，是近年来新开发的涂层之一。金属陶瓷是把金属粒子掺入氧化物或氮化物等介质基体中，通过金属的带间跃迁和小颗粒的共振使涂层对太阳光谱有很强的吸收作用。常用的金属粒子有铜、金、镍、钼、铬、铂、钴或钨，它们在可见光区域具有理想的消光系数，介质基体有氧化硅、三氧化二铝、氧化镁、氮化铝和氮化钛等，在可见光区折射率n＜2，是理想的介质基体；常用金属陶瓷涂层有：铬-三氧化二铬、镍-三氧化二铝、钼-三氧化二铝、钴-三氧化二铝；然而在高于350摄氏度时，这些涂层只能用于真空环境中。对于非真空使用的耐高温(高于500摄氏度)太阳能选择性吸收涂层国内还未见报道。
美国专利US 339.484涉及到的选择性吸收涂层是在玻璃上先溅射沉积一层红外高反射的铜膜，然后沉积不锈钢-碳化物为吸收层，该涂层太阳吸收比(AM2)为0.92，发射率为0.05。
中国发明专利CN 1056159A涉及的是一种AlNxOy选择性吸收涂层，制备时以单个的铝材作阴极，使用氩气、氮气，氧气三种气体，该涂层太阳吸收比为0.90～0.94，红外发射率为0.07～0.12。
中国发明专利CN 85100142.4涉及的是一种铝-氮(或铝-碳-氧)选择性吸收涂层，用单个铝阴极，活性气体是高纯氮气(一氧化碳)，太阳吸收比为0.93，发射率为0.06。
中国发明专利CN 1360084A涉及的是一种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-铝钛膜及铝氮氧+钛氮氧-铝钛膜，其减反射层为铝氮+钛氮膜及铝氮氧+钛氮氧膜，在大气状态下经350℃，250小时，或400℃，50小时，或450℃，80小时烘烤后，其太阳吸收比都可达0.93以上，发射率为0.06～0.10(80℃)。
中国发明专利CN 101408354A公开的一种太阳能选择性吸收涂层，是在传统的吸收涂层的基础上增加了TiC、TiN和TiCN构成的阻热扩散层，虽然该膜层对于膜层间的热扩散具有一定的阻挡层作用，然而沉积过程中引入了碳氢气体，存在一定的安全隐患，同时将导致对真空系统的污染。
为了得到可在400℃～500℃工作时具有较好的热效率和较高的热稳定性，同时为了克服各膜层间的相互热扩散作用，特别是为了保证涂层短时间工作于500℃～600℃结构与性能也不会受到影响，本发明提供了一种高效率、结构稳定、防扩散的太阳能选择性吸收涂层。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高的使用温度的太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法，以克服现有涂层的使用温度低、不耐氧化的缺陷，从而满足太阳能中高温热利用材料领域发展的需要，且其制造工艺简单，易掌握。
为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种太阳光谱选择性吸收涂层，其结构特征在于：该吸收涂层是在不锈钢或铜的基底上由里向外依次设有第一扩散阻挡层、高红外反射层、第二扩散阻挡层、吸收层、第三扩散阻挡层、减反射层和防护层，其中，吸收层分为两层：第一吸收层和第二吸收层。第一扩散阻挡层、第二扩散阻挡层和第三扩散阻挡层均为TiAlN；高红外反射层为纯金属Cu和Al中的一种；吸收层中的第一吸收层和第二吸收层均为TiAlN和AlN形成的混合物，其中，在第一吸收层中，TiAlN的体积百分数为40～80％，AlN的体积百分数为20～60％；在第二吸收层中，TiAlN的体积百分数为15～50％，AlN的体积百分数为50～85％；减反射层为AlN；防护层为SiO2。
本发明提出将TiAlN作为导电粒子替代目前使用的金属粒子，采用AlN作为陶瓷层和减反射层来制备导电粒子陶瓷复合吸收涂层，并采用TiAlN作为阻挡扩散层，理由如下：①相对与金属而言，TiAlN且有良好的高温稳定性和高温抗氧化能力(通过成分调节，抗氧化温度可以提高到800℃)。②通过金属体积百分数的调节可以获得具有低的电阻率的TiAlN，在中远红外具有低的辐射性能；③AlN的各种电性能(介电常数、介质损耗、体电阻率、介电强度)优良，光传输特性好，绝缘性能好，电阻率高，化学性能稳定，AlN在高于1000℃时才与空气发生氧化，在真空中可稳定到1500℃。
本发明利用电磁波与材料的相互作用机理设计出的一种在太阳能光谱范围(0.3～2.5微米)具有较高的吸收率α，在红外区域(2.5～50微米)有很低的发射率ε；该结构设计主要考虑了电磁波与材料相互作用中电磁波的相互干涉叠加、材料对电磁波的吸收和反射、材料厚度对电磁波与材料相互作用的影响。涂层的结构为：基底/第一扩散阻挡层/高红外反射层/第二扩散阻挡层/双层金属氮化物导电粒子-陶瓷吸收层/第三扩散阻挡层/减反射层/保护层。
本发明中的基底材料选取的是表面抛光的不锈钢(304或316)、Cu、Al、玻璃和抛光Si片。优选是不锈钢或铜。
本发明中的第一扩散阻挡层主要是为了提高膜层与基底材料的结合力，同时抑制基体与涂层间元素的扩散，主要涉及到金属Ti和Al与N2形成的化合物，相应的阻挡层为TiAlN。该层所采用的靶材为TiAl合金靶(或者是Ti和Al纯金属靶)。反应气体和工作气体为高纯N2和高纯Ar，采用直流、射频或中频磁控溅射的方法进行制备。
本发明中的高红外反射层是为了提高涂层的红外反射率，主要涉及到纯金属Al或Cu，该层所采用的靶材为Al和Cu纯金属靶。反应气体和工作气体均为高纯Ar，采用直流磁控溅射进行制备。
本发明中的第二扩散阻挡层是为了抑制高红外反射层与吸收层之间的扩散，膜层材料同第一扩散阻挡层。
本发明中的吸收层由两层不同金属氮化物体积百分数的导电粒子-陶瓷吸收层组成，涉及到的金属氮化物导电粒子为TiAlN，陶瓷层为AlN。该层所采用的靶材为TiAl合金靶与Al靶(或者是Ti和Al纯金属靶)。反应气体和工作气体为高纯Ar(纯度99.999％)和高纯N2(纯度99.999％)。采用直流、射频或中频共溅射的制备方法。
本发明中的第三扩散阻挡层是为了抑制高红外反射层与吸收层之间的扩散，膜层材料同第一扩散阻挡层。
本发明中的减反射层主要是为了降低可见近红外光的反射损失，以提高涂层的吸收率，主要是AlN。该层所采用的靶材为Al纯金属靶。反应气体和工作气体为高纯Ar与高纯N2(高纯Ar与高纯N2的流量流量体积比例范围在30∶1到5∶1之间)，采用直流、射频或中频溅射的制备方法。
本发明中的防护层主要是为了提高涂层的耐候性，涉及到的是Si的氧化物，该层所采用的靶材为Si单质靶。反应气体和工作气体为高纯Ar与高纯O2(纯度99.999％)，高纯Ar与高纯O2的流量体积比例范围在30∶1到5∶1之间，采用直流、射频或中频溅射的制备方法。
本发明针对不同的膜层材料通过调整各靶的溅射功率、氮-氧-氩的流量、沉积时间等工艺参数来控制各膜层厚度和成分。
在本发明的太阳光谱选择性吸收涂层中，所述的第一扩散阻挡层厚度为10～50纳米，高红外反射层厚度为50～200纳米，第二扩散阻挡层厚度为5～20纳米，吸收层的第1吸收层厚度为30～150nm，第2吸收层厚度为30～150nm，第三扩散阻挡层厚度为5～20纳米，减反射层厚度为30～90纳米，防护层厚度为20～60纳米。
一种制备权利要求1所述的非真空太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法，该方法包括下述步骤：
(1)采用不锈钢或铜作为基底材料，并对基底材料进行清洗；
(2)将清洗后的基底材料置入多靶复合镀膜机的真空溅射室后，进行烘烤；
(3)烘烤后，向真空溅射室内通入氩气至气压为0.35帕～1.5帕，并采用500伏～900伏的负偏压对基底材料表面进行氩离子轰击；
(4)在溅射压强0.1帕～1帕，轰击电压20伏～120伏条件下，进行镀膜，其中：
采用直流、射频或中频磁控溅射的方法制备第一扩散阻挡层；并采用Ti和Al金属靶或者TiAl合金作为靶材；反应气体和工作气体为高纯N2和高纯Ar，高纯Ar与高纯N2的流量体积比例范围在30∶1到5∶1之间，镀膜时间2～20分钟；
采用直流、射频或中频磁控溅射的方法制备高红外反射层，并采用Al或Cu作为靶材；反应气体和工作气体均为高纯Ar，镀膜时间2～10分钟；
采用直流、射频或中频磁控溅射的方法制备第二扩散阻挡层；并采用Ti和Al金属靶或者TiAl合金作为靶材；反应气体和工作气体为高纯N2和高纯Ar，高纯Ar与高纯N2的流量体积比例范围在30∶1到5∶1之间，镀膜时间0.5～2分钟；
采用直流、射频或中频溅射的方法制备吸收层，采用“Al和Ti”或者“TiAl合金和Al”作为靶材；反应气体和工作气体为高纯Ar和高纯N2，高纯Ar与高纯N2的流量体积比例范围在30∶1到5∶1之间，镀膜时间2～10分钟；
采用直流、射频或中频磁控溅射的方法制备第三扩散阻挡层；并采用“Ti和Al金属”或者“TiAl合金”作为靶材；反应气体和工作气体为高纯Ar和高纯N2，高纯Ar与高纯N2的流量体积比例范围在30∶1到5∶1之间，镀膜时间0.5～2分钟；
采用直流、射频或中频磁控溅射的方法制备减反射层，采用Al作为靶材，反应气体和工作气体为高纯Ar与高纯N2，高纯Ar与高纯N2的流量体积比例范围在30∶1到5∶1之间，镀膜时间5～30分钟；
采用直流、射频或中频磁控溅射的方法制备防护层，采用Si作为靶材，反应气体和工作气体为高纯Ar与高纯O2，高纯Ar与高纯O2的流量体积比例范围在60∶1到5∶1之间，镀膜时间3～30分钟。
在本发明的制备太阳光谱选择性吸收涂层的方法中，在所述的步骤(1)的对基底材料进行清洗过程中，是将基底材料分别在硫酸、洗涤剂、去离子水、汽油和乙醇中超声清洗，在每种液体中各超声1～6分钟，总共5～30分钟。
在本发明的制备太阳光谱选择性吸收涂层的方法中，在所述的步骤(2)的对基底材料进行烘烤过程中，是将基底材料在100～120℃条件下烘烤10～30分钟。
在本发明的制备太阳光谱选择性吸收涂层的方法中，在所述的步骤(4)的镀膜过程中，通过调整溅射功率，高纯Ar、高纯N2和高纯O2中的一种或几种的流量以及沉积时间来控制各膜层厚度和成分。
本发明的原理是：在金属或合金的表面采用磁控溅射镀膜技术沉积金属氮化物以及导电金属氮化物复合或掺杂绝缘氮化物薄膜，一方面解决了涂层的高温氧化问题，另一方面改变了材料的金属性光泽和颜色，获得了在太阳能光谱范围(0.3～2.5微米)具有较高的吸收率α，在红外区域(2.5～50微米)有很低的发射率ε的涂层材料。
本发明是一种非真空太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法，其优点在于：涂层在太阳光谱范围(0.3～2.5微米)具有较高的吸收率α，在红外区域(2.5～50微米)有很低的发射率ε，同时具有耐高温氧化特性，满足太阳能高温利用的要求。该制备方法简单，成本低，采用该方法制作的涂层可以用于槽式太阳能发电和建筑一体化集热器中。
附图说明
图1为本发明的涂层的微观结构模型，图中的标号为：1为基底，2为第一扩散阻挡层(TiAlN)，3为红外高反射层(Al或Cu)，4为第二扩散阻挡层(TiAlN)，5为高氮化物导电粒子体积比吸收层(TiAlN-AlN)，6为低氮化物导电粒子体积比吸收层(TiAlN-AlN)，7为第三扩散阻挡层(TiAlN)，8为减反射层(AlN)，9为防护层(SiO2)。
具体实施方式
本发明所述的太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)基底材料在置入真空室前将基底材料分别在丙酮、洗涤剂、去离子水、汽油以及乙醇中超声5～30分钟，烘干；置入真空室后，100～150摄氏度烘烤10～30分钟，溅射前对其表面进行氩离子轰击30～60分钟；
(2)采用TiAl合金靶(或者是Ti和Al纯金属靶)，在氩气和氮气的混合气氛中反应溅射，在上述基底上沉积第一扩散阻挡层以增加膜层结合力，通过调节阻挡层中氮氩比来获得低的红外发射率和较好的结合力；
(3)采用Al靶或者铜靶，在在氩气气氛中沉积纯金属高红外反射层，通过选择合适的金属厚度与颗粒大小来获得低的红外发射率；
(4)沉积第二扩散阻挡层，通过调节氮氩比及沉积时间来获得良好的抑制扩散的作用；
(5)沉积金属氮化物导电粒子(TiAlN)陶瓷(AlN)吸收层，膜层由两层构成，第一层中金属氮化物的体积百分数在40～80％，第二层中金属氮化物的体积百分数在15～50％；
(6)沉积第三扩散阻挡层，通过调节氮氩比及沉积时间来获得良好的抑制扩散的作用。
(7)沉积AlN减反射层；
(8)沉积SiO2保护层；
(9)为了保证每层膜生长的完整性以及防止各层之间的原子扩散，镀每层之间间隔5～15min，最后冷却致室温后取出样品。
在下面的实施例中所采用的流量单位为SCCM，其英文全称：standard-state cubiccentimeter per minute，是体积流量单位，为毫升/分钟。
实施例1
采用Ti、Al和Cu三金属靶，以及硅靶，由图1可知，本发明的太阳能选择性吸收涂层自基底1从下而上分为8层，依次为第一扩散阻挡层2，红外高反射层3，第二扩散阻挡层4，高氮化物导电粒子体积比吸收层5，低氮化物导电粒子体积比吸收层6，第三扩散阻挡层7，减反射层8和防护层9。
通入氩气和氮气，流量分别为140SCCM和20SCCM，采用Ti靶和Al靶进行反应溅射，Ti和Al靶的溅射功率分别为1200w和800w，形成TiAlN构成的第一扩散阻挡层2，该层的厚度为10nm；
采用Cu靶在氩气中非反应溅射镀制Cu薄膜，氩气流量为160SCCM，溅射功率为1000w，该层作为高红外反射层3，厚度为90nm；
采用Ti靶和Al靶在氩气和氮气的混合气体中反应溅射，氩气和氮气流量分别为150SCCM和10SCCM，Ti和Al靶的溅射功率分别为1200w和800w，形成TiAlN构成的第二扩散阻挡层4，该层的厚度为10nm；
采用钛靶和铝靶在氩气和氮气的混合气体中反应溅射，氩气和氮气流量分别为150SCCM和10SCCM，Ti和Al靶的溅射功率分别为1200w和800w，形成高TiAlN体积比(65％)的(TiAlN-AlN)吸收层5，该层的厚度为56nm；
采用钛靶和铝靶在氩气和氮气的混合气体中反应溅射，氩气和氮气流量分别为150SCCM和10SCCM，Ti和Al靶的溅射功率分别为600w和800w，形成低TiAlN体积比(35％)的(TiAlN-AlN)吸收层6，该层的厚度为34nm；
采用钛靶和铝靶在氩气和氮气的混合气体中反应溅射，氩气和氮气流量分别为150SCCM和10SCCM，Ti和Al靶的溅射功率分别为1200w和800w，形成TiAlN构成的第三扩散阻挡层7，该层的厚度为10nm；
采用铝靶在氩气和氮气的混合气体中反应溅射，氩气和氮气流量分别为150SCCM和10SCCM，Al靶的溅射功率为800w，形成AlN构成减反射层8，该层的厚度为45nm；
采用硅靶在氩气和氧气的混合气体中反应溅射，氩气和氧气流量分别为150SCCM和10SCCM，硅靶的溅射功率为600w，形成氧化硅(SiO2)构成的防护层9，该层的厚度为35nm。
最终所制备的涂层吸收比为0.95±0.02，发射比为0.04±0.01(80℃)，该测试结果为多批次试验统计结果。
实施例2
采用TiAl合金和金属Al两个靶，以及硅靶，由图1可知，本发明的太阳能选择性吸收涂层自基底1从下而上分为8层，依次为第一扩散阻挡层2，红外高反射层3，第二扩散阻挡层4，高氮化物导电粒子体积比吸收层5，低氮化物导电粒子体积比吸收层6，第三扩散阻挡层7，减反射层8和防护层9。
采用TiAl合金靶在氩气和氮气的混合气体中反应溅射，氩气和氮气流量分别为150SCCM和10SCCM，TiAl靶的溅射功率为1200w，形成TiAlN构成的第一扩散阻挡层2，该层的厚度为10nm；
采用Al靶在氩气中非反应溅射镀制Al薄膜，氩气流量为160SCCM，溅射功率为1000w，该层作为高红外反射层3，厚度为90nm；
采用TiAl合金靶在氩气和氮气的混合气体中反应溅射，氩气和氮气流量分别为150SCCM和10SCCM，TiAl靶的溅射功率为1200w，形成TiAlN构成的第二扩散阻挡层4，该层的厚度为10nm；
采用TiAl合金靶和Al靶在氩气和氮气的混合气体中反应溅射，氩气和氮气流量分别为150SCCM和10SCCM，TiAl和Al靶的溅射功率分别为1200w和600w，形成高TiAlN体积百分比(65％)的(TiAlN-AlN)吸收层5，该层的厚度为56nm；
采用TiAl合金靶和Al靶在氩气和氮气的混合气体中反应溅射，氩气和氮气流量分别为150SCCM和10SCCM，TiAl和Al靶的溅射功率分别为1000w和800w，形成低TiAlN体积百分比(35％)的(TiAlN-AlN)吸收层6，该层的厚度为34nm；
采用TiAl合金靶在氩气和氮气的混合气体中反应溅射，氩气和氮气流量分别为150SCCM和10SCCM，TiAl靶的溅射功率为1200w，形成TiAlN构成的第三扩散阻挡层7，该层的厚度为10nm；
采用铝靶在氩气和氮气的混合气体中反应溅射，氩气和氮气流量分别为150SCCM和10SCCM，Al靶的溅射功率为800w，形成AlN构成减反射层8，该层的厚度为45nm；
采用硅靶在氩气和氧气的混合气体中反应溅射，氩气和氧气流量分别为150SCCM和10SCCM，硅靶的溅射功率为600w，形成氧化硅(SiO2)构成的防护层9，该层的厚度为35nm。
最终所制备的涂层吸收比为0.95±0.02，发射比为0.04±0.01(80℃)，该测试结果为多批次试验统计结果。
上述实施例仅用于说明本发明，而不是限制本发明。
测试例：
以本发明实施例1的涂层与中国发明专利CN 101408354A公开的一种太阳光谱吸收性涂层进行比较，结果见表1。
由表1可知：与对比的吸收涂层相比，本发明的选择性吸收涂层在不改变总厚度的情况下，通过优化红外高反射层、吸收层和减反射层的厚度，并在基体与红外高反射层之间、红外高反射层与吸收层之间、吸收层与减反射层之间分别沉积不同厚度的扩散阻挡层，有效地防止了涂层间的热扩散作用，使涂层在空气中耐高温温度提高到400℃，真空中耐高温温度提高到500℃，保持涂层结构稳定，耐高温性能和吸收比提高，反射率降低。
表1
Figure BSA00000219177800091

Claims (6)

1.一种太阳光谱选择性吸收涂层，其结构特征在于：该吸收涂层是在不锈钢或铜的基底上由里向外依次设有第一扩散阻挡层、高红外反射层、第二扩散阻挡层、吸收层、第三扩散阻挡层、减反射层和防护层，其中，吸收层分为两层：第一吸收层和第二吸收层；第一扩散阻挡层、第二扩散阻挡层和第三扩散阻挡层均为TiAlN；高红外反射层为纯金属Cu和Al中的一种；吸收层中的第一吸收层和第二吸收层均为TiAlN和AlN形成的混合物，其中，在第一吸收层中，TiAlN的体积百分数为40～80％，AlN的体积百分数为20～60％；在第二吸收层中，TiAlN的体积百分数为15～50％，AlN的体积百分数为50～85％；减反射层为AlN；防护层为SiO2。
2.根据权利要求1所述的太阳光谱选择性吸收涂层，其特征在于：所述的第一扩散阻挡层厚度为10～50纳米，高红外反射层厚度为50～200纳米，第二扩散阻挡层厚度为5～20纳米，吸收层的第1吸收层厚度为30～150nm，第2吸收层厚度为30～150nm，第三扩散阻挡层厚度为5～20纳米，减反射层厚度为30～90纳米，防护层厚度为20～60纳米。
3.一种制备权利要求1所述的太阳光谱选择性吸收涂层的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
(1)采用不锈钢或铜作为基底材料，并对基底材料进行清洗；
(2)将清洗后的基底材料置入多靶复合镀膜机的真空溅射室后，进行烘烤；
(3)烘烤后，向真空溅射室内通入氩气至气压为0.35帕～1.5帕，并采用500伏～900伏的负偏压对基底材料表面进行氩离子轰击；
(4)在溅射压强0.1帕～1帕，轰击电压20伏～120伏条件下，进行镀膜，其中：
采用直流、射频或中频磁控溅射的方法制备第一扩散阻挡层；并采用Ti和Al金属靶或者TiAl合金作为靶材；反应气体和工作气体为高纯N2和高纯Ar，高纯Ar与高纯N2的流量体积比例范围在30∶1到5∶1之间，镀膜时间2～20分钟；
采用直流、射频或中频磁控溅射的方法制备高红外反射层，并采用Al或Cu作为靶材；反应气体和工作气体均为高纯Ar，镀膜时间2～10分钟；
采用直流、射频或中频磁控溅射的方法制备第二扩散阻挡层；并采用Ti和Al金属靶或者TiAl合金作为靶材；反应气体和工作气体为高纯N2和高纯Ar，高纯Ar与高纯N2的流量体积比例范围在30∶1到5∶1之间，镀膜时间0.5～2分钟；
采用直流、射频或中频溅射的方法制备吸收层，采用“Al和Ti”或者“TiAl合金和Al”作为靶材；反应气体和工作气体为高纯Ar和高纯N2，高纯Ar与高纯N2的流量体积比例范围在30∶1到5∶1之间，镀膜时间2～10分钟；
采用直流、射频或中频磁控溅射的方法制备第三扩散阻挡层；并采用“Ti和Al金属”或者“TiAl合金”作为靶材；反应气体和工作气体为高纯Ar和高纯N2，高纯Ar与高纯N2的流量体积比例范围在30∶1到5∶1之间，镀膜时间0.5～2分钟；
采用直流、射频或中频磁控溅射的方法制备减反射层，采用Al作为靶材，反应气体和工作气体为高纯Ar与高纯N2，高纯Ar与高纯N2的流量体积比例范围在30∶1到5∶1之间，镀膜时间5～30分钟；
采用直流、射频或中频磁控溅射的方法制备防护层，采用Si作为靶材，反应气体和工作气体为高纯Ar与高纯O2，高纯Ar与高纯O2的流量体积比例范围在60∶1到5∶1之间，镀膜时间3～30分钟。
4.根据权利要求3所述的制备太阳光谱选择性吸收涂层的方法，其特征在于，在所述的步骤(1)的对基底材料进行清洗过程中，是将基底材料分别在硫酸、洗涤剂、去离子水、汽油和乙醇中超声清洗，在每种液体中各超声1～6分钟，总共5～30分钟。
5.根据权利要求3所述的制备太阳光谱选择性吸收涂层的方法，其特征在于，在所述的步骤(2)的对基底材料进行烘烤过程中，是将基底材料在100～120℃条件下烘烤10～30分钟。
6.根据权利要求3所述的制备太阳光谱选择性吸收涂层的方法，其特征在于，在所述的步骤(4)的镀膜过程中，通过调整溅射功率，高纯Ar、高纯N2和高纯O2中的一种或几种的流量以及沉积时间来控制各膜层厚度和成分。
CN2010102466366A 2010-08-05 2010-08-05 太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法 Active CN102122006B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2010102466366A CN102122006B (zh) 2010-08-05 2010-08-05 太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2010102466366A CN102122006B (zh) 2010-08-05 2010-08-05 太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102122006A CN102122006A (zh) 2011-07-13
CN102122006B true CN102122006B (zh) 2012-08-22

Family

ID=44250596

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2010102466366A Active CN102122006B (zh) 2010-08-05 2010-08-05 太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102122006B (zh)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103029374A (zh) * 2011-09-30 2013-04-10 中国科学院大连化学物理研究所 一种中高温太阳能光热选择性吸收涂层
CN102602071B (zh) * 2012-03-12 2015-01-07 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法和应用
CN102618837B (zh) * 2012-04-23 2013-08-28 康达新能源设备股份有限公司 钒基高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法
CN102723377A (zh) * 2012-06-29 2012-10-10 苏州嘉言能源设备有限公司 槽式太阳能集热管用减反射膜
CN102809232B (zh) * 2012-08-29 2015-11-25 北京天普太阳能工业有限公司 一种太阳能选择性吸收涂层
CN103317788A (zh) * 2012-11-30 2013-09-25 北京天瑞星光热技术有限公司 一种光谱选择性吸收涂层及其制备方法
CN103162452B (zh) * 2013-03-05 2015-04-15 日出东方太阳能股份有限公司 抗氧化性太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法
CN103115448B (zh) * 2013-03-07 2015-07-08 日出东方太阳能股份有限公司 全玻璃太阳能真空集热管及其制备方法
CN104279780B (zh) * 2013-07-04 2016-07-06 北京有色金属研究总院 一种过渡金属氮化物吸热涂层
CN104567047B (zh) * 2013-11-28 2017-10-31 康雪慧 采用氮化铝钛材料的集热元件抗氢阻隔层及制备方法
CN104532184B (zh) * 2013-11-28 2017-10-31 康雪慧 一种耐高温太阳能选择性涂层及其制备方法
CN106468483A (zh) * 2015-08-17 2017-03-01 北京有色金属研究总院 一种新型叠堆结构光热转换涂层
CN105783297A (zh) * 2016-03-01 2016-07-20 江苏贝德莱特太阳能科技有限公司 一种吸收且连续可调的太阳光谱选择性吸收涂层
CN106649929A (zh) * 2016-09-26 2017-05-10 渤海大学 金属‑陶瓷太阳能选择性吸收涂层发射率模型的建模方法
CN108468016A (zh) * 2018-03-15 2018-08-31 兰州交大常州研究院有限公司 金属陶瓷复合光谱选择性吸收涂层及其制备方法
CN112443991B (zh) * 2019-08-28 2022-06-17 香港科技大学 基于溶液法加工的选择性太阳能吸收涂层及其制备方法
CN114322338A (zh) * 2021-12-17 2022-04-12 常州龙腾光热科技股份有限公司 一种在大气中稳定运行的选择性吸收涂层及其制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101666557A (zh) * 2008-09-01 2010-03-10 北京有色金属研究总院 一种非真空太阳光谱选择性吸收膜层及其制备方法
CN101793437A (zh) * 2009-12-31 2010-08-04 沈阳百乐真空技术有限公司 多用途太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2006203466A1 (en) * 2006-02-21 2007-09-06 Council Of Scientific & Industrial Research An improved solar selective coating having higher thermal stability useful for harnessing solar energy and a process for the preparation thereof

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101666557A (zh) * 2008-09-01 2010-03-10 北京有色金属研究总院 一种非真空太阳光谱选择性吸收膜层及其制备方法
CN101793437A (zh) * 2009-12-31 2010-08-04 沈阳百乐真空技术有限公司 多用途太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN102122006A (zh) 2011-07-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102122006B (zh) 太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法
CN102121757B (zh) 一种非真空太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法
CN101666557B (zh) 一种非真空太阳光谱选择性吸收膜层及其制备方法
CN201218622Y (zh) 一种太阳能选择性吸收涂层
CN101737983B (zh) 一种太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法
CN102620456B (zh) 一种中低温太阳能选择吸收薄膜及其制备方法
Zou et al. Functional multi-layer solar spectral selective absorbing coatings of AlCrSiN/AlCrSiON/AlCrO for high temperature applications
CN101660117B (zh) 一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法
CN103162452B (zh) 抗氧化性太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法
CN105222381B (zh) 一种双吸收层太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法
CN106884145B (zh) 一种太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法
CN105091377B (zh) 一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法
CN108351124B (zh) 一种沉积适用于热吸收管的功能层的方法
Hao et al. Thermal stability of nitride solar selective absorbing coatings used in high temperature parabolic trough current
CN106500374B (zh) 一种双相纳米复合太阳能吸收涂层及制造方法
CN107270564B (zh) 一种太阳光热吸收涂层
CN108917210A (zh) 一种自掺杂纳米复合光热转换涂层及其制备方法
CN201539995U (zh) 钽金属掺杂的氮化钛金属陶瓷薄膜
CN1018021B (zh) 太阳能选择性吸收膜及制备方法
CN103302917A (zh) 一种双吸收层TiON耐候性光热涂层及其制备方法
CN106468483A (zh) 一种新型叠堆结构光热转换涂层
CN1584445A (zh) NiCrOXNY太阳光谱选择性吸收薄膜及制备方法
Hao et al. Preparation and thermal stability on non-vacuum high temperature solar selective absorbing coatings
CN109457219B (zh) 一种中低温太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法
CN102305484A (zh) 具有陷光结构的太阳能集热管

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20190626

Address after: 101407 No. 11 Xingke East Street, Yanqi Economic Development Zone, Huairou District, Beijing

Patentee after: Research Institute of engineering and Technology Co., Ltd.

Address before: 100088, 2, Xinjie street, Beijing

Patentee before: General Research Institute for Nonferrous Metals