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一种耐高温的选择性吸收涂层及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种耐高温的选择性吸收涂层及制造方法，它易于实现且调控简单，适用于中高温度环境条件下的真空或者空气中，涂层性能稳定。它依次由粘结层、红外高反射金属层、扩散阻挡层、吸收层、减反射层组成；其中所述吸收层由金属一介质复合材料薄膜构成，所述金属一介质复合材料薄膜表由ALN+TiN+SiN+SiTiALN团簇组成。

Description

一种耐高温的选择性吸收涂层及制造方法
技术领域
本发明涉及一种耐高温的选择性吸收涂层及制造方法。
背景技术
随着人类科学技术的发展和生产力水平的提高，能源短缺的问题逐渐暴露出来。传统能源如石油、天然气等的日渐枯竭，限制了人类的继续发展和进步。在全球性能源紧张的新形势下，开发以太阳能为代表的新能源是缓解能源紧张的途径。在太阳能系统中，以太阳真空集热管为取能装置的集热系统应用最为广泛，所说的太阳真空集热管以太阳能吸收涂层用于吸收入射的太阳辐射，并将其转换为热能。
目前太阳能光热利用以温度小于100℃的低温应用为主，如太阳能热水器，太阳能干燥等。应用于上述温度范围内的太阳能吸收涂层，若工作于较高温度时，由于涂层间金属和介质的扩散作用加强，涂层结构遭到破坏，使涂层整体性能发生变化。能在中高温领域或空气中长期稳定工作的选择性吸收涂层，工艺相对复杂，成本较高。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种耐高温的选择性吸收涂层及制造方法，它易于实现且调控简单，适用于中高温度环境条件下的真空或者空气中，涂层性能稳定。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种耐高温的选择性吸收涂层，它依次由粘结层、红外高反射金属层、扩散阻挡层、吸收层、减反射层组成；其中所述吸收层由金属一介质复合材料薄膜构成，所述金属一介质复合材料薄膜表由ALN+TiN+SiN+SiTiALN团簇组成。
所述粘结层由ALN组成，厚度3～10nm。
所述扩散阻挡层的材料为Al或AIN，厚度为10～25nm。
所述红外反射金属层采用具有较低发射比的金属薄膜材料即铝、铜或银，其厚度为20～70nm。
所述减反射层介质材料薄膜由ALNO、SiALNO、SiTiNO复合材料组成，厚度30～100nm，优选50～80nm。
所述吸收层是由2～4个不同金属含量的吸收层亚层组成，按照金属含量不同分为高吸收亚层、低吸收亚层，中间设置过渡层，靠近基材的第一个高吸收亚层厚度可控在30～90nm，远离基材的低吸收亚层厚度控在20～60nm，其余为过渡亚层，所述吸收层的整体厚度为50～150nm。
所述金属一介质复合材料的金属材料制备所需靶材为铝靶和钛硅合金靶材。
一种耐高温的选择性吸收涂层的制备方法，它的步骤为：
(1)基材可为玻璃或抛光处理的金属表面，经清洗、烘烤后进入镀膜室；
(2)对设备进行抽真空，达到设定本底真空后，充纯氩，给铝靶通直流电，电流在30～45A范围内，时间5秒左右，起到洗靶和缓冲氩气作用；
(3)在纯氩环境中，充氮气，启动铝靶与氮气反应，在基材上沉积粘结层，工作压强可选在0.20～0.40Pa，电流控制在35～48A，时间在30～180秒，厚度控制在3～10nm，具体参数以镀完膜后的膜层经压敏胶带反复测试后，膜层不脱落为合格；
(4)沉积红外反射金属层：红外反射金属层优先Al、W、Cu、Ag、Au、Mo，本专利考虑到工业化生产的成本需要和性能要求，采用Cu或者Al，在纯氩环境中沉积选用的靶材，工作压强可选在0.20～0.40Pa，厚度20～70nm，具体电参数以膜层的发射比相对较低为准；
(5)沉积扩散阻挡层，扩散阻挡层采用溅射Al或AIN，可加在吸收层和红外发射金属层之间或红外发射金属层和完整的太阳能选择性吸收表面涂层的底层之间，厚度在10～25nm，也可根据具体情况，不做该层；
(6)沉积吸收层：吸收层为2～4层具有不同金属含量的吸收亚层结构；在氩气真空环境中冲入溅射气体氮气，以铝靶和钛硅合金靶为阴极，采用真空磁控溅射镀膜技术，反应溅射沉积金属一介质复合材料薄膜；铝靶与钛硅合金靶同时溅射，反应溅射生成ALN+TiN+SiN+SiTiALN团簇，通过调整钛硅合金靶阴极的溅射功率，使得吸收亚层中的金属含量沿着远离基材的方向减少，工作压强可选在0.20～0.40Pa之间，每一个亚层之间金属-介质复合材料组分保持一致，铝靶电流可设置为固定电流，根据镀膜机的配置电流在38A～48A之间选择，通过调整钛硅合金靶电流和电压沉积不同的金属份额来达到相邻亚层之间折射率失配的效果，这样能使红外辐射透过，但通过内部吸收及相位补偿干涉可使太阳辐射得以吸收，靠近基材的第一个亚层膜层厚度可控在30～90nm，远离基材的亚层厚度控在20～60nm，所以整个吸收层的厚度在50～150nm；
(7)沉积减反射层：在氩气低真空氛围中冲入氮气和氧气，启动铝靶和钛硅合金靶，沉积ALNO、SiALNO、SiTiNO复合材料作为减反射层。由于氮气流量与氧气流量的比值越高，所沉积的涂层越趋进于SiN，折射率n值则越大，相反，氮气流量与氧气流量的比值越低，所沉积的涂层越趋进于SiO，虽然是有效的减反层，但沉积率随之降低。因此本发明优选氮气与氧气流入量的比值低于3.5，涂层厚度可在30～100nm，优选50～80nm，这种氧气通入大流量的氮气作为反应气体工作环境，所产生的SiNO或SiALNO的沉积率是氮化铝ALN、氧化铝ALO的15至30倍，并且这种含氮后的减反层薄膜材料在太阳光谱下具有优良的光学性能，即光学折射率n＜2.0，k值趋近于0。
本发明的有益效果是：本发明之涂层在制备工艺方面易于实现且调控简单，成本相对较低，适用于中高温度环境条件下的真空或者空气中，涂层性能稳定。涂层的太阳吸收比大于0.93，涂层发射比小于等于0.07。
附图说明
图1为本发明的图层结构图；
图2为吸收曲线图谱。
其中，1减反射层，2低吸收层，3高吸收层，4扩散阻挡层，5红外高反射金属层，6粘结层，7基体。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
图1、图2中，它依次由基体7、粘结层6、红外高反射金属层5、扩散阻挡层4、吸收层(高吸收层3和低吸收层2)、减反射层1组成；其中所述吸收层由金属一介质复合材料薄膜构成，所述金属一介质复合材料薄膜表由ALN+TiN+SiN+S iTiALN团簇组成。
所述粘结层6由ALN组成，厚度3～10nm。
所述扩散阻挡层4的材料为Al或AIN，厚度为10～25nm。
所述红外反射金属层5采用具有较低发射比的金属薄膜材料即铝、铜或银，其厚度为20～70nm。
所述减反射层1介质材料薄膜由ALNO、SiALNO、SiTiNO复合材料组成，厚度30～100nm，优先50～80nm。
所述吸收层是由2～4个不同金属含量的吸收层亚层组成，按照金属含量不同分为高吸收亚层3、低吸收亚层2，中间设置过渡亚层，靠近基材的第一个亚层膜层厚度可控在30～90nm，远离基材的亚层厚度控在20～60nm，所以整个吸收层的厚度在50～150nm。
所述金属一介质复合材料的金属材料制备所需靶材为铝靶和钛硅合金靶材。
一种耐高温的选择性吸收涂层的制备方法，它的步骤为：
(1)基材可为玻璃或抛光处理的金属表面，经清洗、烘烤后进入镀膜室；
(2)对设备进行抽真空，达到设定本底真空后，充纯氩，给铝靶通直流电，电流在30～45A范围内，时间5秒左右，起到洗靶和缓冲氩气作用；
(3)在纯氩环境中，充氮气，启动铝靶与氮气反应，在基材上沉积粘结层，工作压强可选在0.20～0.40Pa，电流控制在35～48A，时间在30～180秒，厚度控制在3～10nm，具体参数以镀完膜后的膜层经压敏胶带反复测试后，膜层不脱落为合格；
(4)沉积红外反射金属层：红外反射金属层优先Al、W、Cu、Ag、Au、Mo，本专利考虑到工业化生产的成本需要和性能要求，采用Cu或者Al，在纯氩环境中沉积选用的靶材，工作压强可选在0.20～0.40Pa，厚度20～70nm，具体电参数以膜层的发射比相对较低为准；
(5)沉积扩散阻挡层，扩散阻挡层采用溅射Al或AIN，可加在吸收层和红外发射金属层之间或红外发射金属层和完整的太阳能选择性吸收表面涂层的底层之间，厚度在10～25nm，也可根据具体情况，不做该层；
(6)沉积吸收层：吸收层为2～4层具有不同金属含量的吸收亚层结构；在氩气真空环境中冲入溅射气体氮气，以铝靶和钛硅合金靶为阴极，采用真空磁控溅射镀膜技术，反应溅射沉积金属一介质复合材料薄膜；铝靶与钛硅合金靶同时溅射，反应溅射生成ALN+TiN+SiN+SiTiALN团簇，通过调整钛硅合金靶阴极的溅射功率，使得吸收亚层中的金属含量沿着远离基材的方向减少，工作压强可选在0.20～0.40Pa之间，每一个亚层之间金属-介质复合材料组分保持一致，铝靶电流可设置为固定电流，根据镀膜机的配置电流在38A～48A之间选择，通过调整钛硅合金靶电流和电压沉积不同的金属份额来达到相邻亚层之间折射率失配的效果，这样能使红外辐射透过，但通过内部吸收及相位补偿干涉可使太阳辐射得以吸收，靠近基材的第一个亚层膜层厚度可控在30～90nm，远离基材的亚层厚度控在20～60nm，所以整个吸收层的厚度在50～150nm；
(7)沉积减反射层：在氩气低真空氛围中冲入氮气和氧气，启动铝靶和钛硅合金靶，沉积ALNO、SiALNO、SiTiNO复合材料作为减反射层。由于氮气流量与氧气流量的比值越高，所沉积的涂层越趋进于SiN，折射率n值则越大，相反，氮气流量与氧气流量的比值越低，所沉积的涂层越趋进于SiO，虽然是有效的减反层，但沉积率随之降低。因此本发明优选氮气与氧气流入量的比值低于3.5，涂层厚度可在30～100nm，优选50～80nm，这种氧气通入大流量的氮气作为反应气体工作环境，所产生的SiNO或SiALNO的沉积率是氮化铝ALN、氧化铝ALO的15至30倍，并且这种含氮后的减反层薄膜材料在太阳光谱下具有优良的光学性能，即光学折射率n＜2.0，k值趋近于0。
实施例1
在玻璃管上沉积本选择性吸收涂层，以铜靶作为红外高发射金属层材料：当镀膜机本底真空达3×10-3Pa时，冲入氩气和氮气，启铝靶，生成ALN，工作压强维持在0.20Pa，时间3分钟；关闭铝靶和氮气，启动铜靶直流溅射沉积Cu金属层，时间5分钟，工作压强维持0.2Pa；接着直流溅Al靶，沉积Al膜作为扩散阻挡层，时间30秒；通入氮气，启动铝靶和钛硅合金靶进行直流溅射吸收层，时间控制在10～14分钟，铝靶电流控制在40A不变，通过变化钛硅合金靶电流和通过氮气控制溅射电压，以满足多个吸收层的设计要求，中间为平稳过渡电流和氮气量的变化，可设置不同的过渡层，通过控制氩气流量，使工作压强维持在0.4Pa；然后按照氮氧摩尔比近似为97∶3，N2：流量为129sccm，O2流量为4sccm，经充分混合后从另一个气管充入到真空室内，启Al靶和钛硅合金靶直流溅射产生ALNO、SiALNO、SiTiNO复合材料作为减反射层，最后制成成品管进入排气台烘烤420℃50分钟。
破开成品管后使用岛津UV-3600分光光度计测太阳能选择性吸收涂层在300～2600nm太阳能光谱范围内的反射比谱值，结果见图2之1曲线，经计算得到太阳吸收比αs＝0.936，然后把涂层样品置于400℃空气中烘烤96小时αs＝0.938.
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种耐高温的选择性吸收涂层，其特征是，它依次由粘结层、红外高反射金属层、扩散阻挡层、吸收层、减反射层组成；其中所述吸收层由金属一介质复合材料薄膜构成，所述金属一介质复合材料薄膜表由ALN+TiN+SiN+SiTiALN团簇组成。
2.如权利要求1所述的耐高温的选择性吸收涂层，其特征是，所述粘结层由ALN组成，厚度3～10nm。
3.如权利要求1所述的耐高温的选择性吸收涂层，其特征是，所述扩散阻挡层的材料为Al或AIN，厚度为10～25nm。
4.如权利要求1所述的耐高温的选择性吸收涂层，其特征是，所述红外高反射金属层采用具有较低发射比的金属薄膜材料即铝、铜或银，其厚度为20～70nm。
5.如权利要求1所述的耐高温的选择性吸收涂层，其特征是，所述减反射层介质材料薄膜由ALNO、SiALNO、SiTiNO复合材料组成，厚度30～100nm。
6.如权利要求5所述的耐高温的选择性吸收涂层，其特征是，所述减反射层厚度为50～80nm。
7.如权利要求1所述的耐高温的选择性吸收涂层，其特征是，所述吸收层是由2～4个不同金属含量的吸收层亚层组成，按照金属含量不同分为高吸收亚层、低吸收亚层，中间设置过渡亚层，靠近基材的高吸收亚层厚度在30～90nm，远离基材的低吸收亚层厚度在20～60nm，其余为过渡亚层，整个吸收层的厚度在50～150nm。
8.如权利要求1所述的耐高温的选择性吸收涂层，其特征是，所述金属一介质复合材料的金属材料制备所需靶材为铝靶和钛硅合金靶材。
9.一种权利要求1所述的耐高温的选择性吸收涂层的制备方法，其特征是，它的步骤为：
(1)基材可为玻璃或抛光处理的金属表面，经清洗、烘烤后进入镀膜室；
(2)对设备进行抽真空，达到设定本底真空后，充纯氩，给铝靶通直流电，电流在30～45A范围内，时间5秒左右，起到洗靶和缓冲氩气作用；
(3)在纯氩环境中，充氮气，启动铝靶与氮气反应，在基材上沉积粘结层，工作压强可选在0.20～0.40Pa，电流控制在35～48A，时间在30～180秒，厚度控制在3～10nm，具体参数以镀完膜后的膜层经压敏胶带反复测试后，膜层不脱落为合格；
(4)沉积红外反射金属层：红外反射金属层位Al、W、Cu、Ag、Au或Mo，在纯氩环境中沉积选用的靶材，工作压强在0.20～0.40Pa，厚度20～70nm；
(5)沉积扩散阻挡层，扩散阻挡层采用溅射Al或AIN，加在吸收层和红外发射金属层之间或红外发射金属层和完整的太阳能选择性吸收表面涂层的底层之间，厚度在10～25nm；或不做该层；
(6)沉积吸收层：吸收层为2～4层具有不同金属含量的吸收亚层结构；在氩气真空环境中冲入溅射气体氮气，以铝靶和钛硅合金靶为阴极，采用真空磁控溅射镀膜技术，反应溅射沉积金属一介质复合材料薄膜；铝靶与钛硅合金靶同时溅射，反应溅射生成ALN+TiN+SiN+SiTiALN团簇，通过调整钛硅合金靶阴极的溅射功率，使得吸收亚层中的金属含量沿着远离基材的方向减少，工作压强在0.20～0.40Pa之间，每一个亚层之间金属-介质复合材料组分保持一致，铝靶电流设置为固定电流，根据镀膜机的配置电流在38A～48A之间选择，通过调整钛硅合金靶电流和电压沉积不同的金属份额来达到相邻亚层之间折射率失配的效果，这样能使红外辐射透过，但通过内部吸收及相位补偿干涉可使太阳辐射得以吸收，靠近基材的第一个高吸收亚层厚度在30～90nm，远离基材的低吸收亚层厚度在20～60nm，其余为过渡亚层，整个吸收层的厚度在50～150nm；
(7)沉积减反射层：在氩气低真空氛围中冲入氮气和氧气，启动铝靶和钛硅合金靶，沉积ALNO、SiALNO、SiTiNO复合材料作为减反射层；氮气与氧气流入量的比值低于3.5，涂层厚度在30～100nm。
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