发明内容
针对现有技术中存在的问题,本发明于提供一种具有TiO2和Al2O3双陶瓷结构高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法,适用于高温(300℃-500℃)工作温度集热管,涂层吸收率高、发射率低、热稳定性好,制备工艺简便,操作方便,生产周期短,溅射工况稳定。
本发明提供一种具有TiO2和Al2O3双陶瓷结构高温太阳能选择性吸收涂层,包括三层膜,从底层到表面依次为红外反射层、吸收层和减反射层;
第一层红外反射层由Cu膜或者Ag膜组成,位于基体表面,厚度在50~250nm;第二层吸收层包括两个亚层结构,两个亚层均为TiO2+Al2O3膜,第一亚层和第二亚层的厚度均为50~100nm,第一亚层和第二亚层的厚度可以相等也可以不相等;第一亚层中TiO2的体积百分比为20~40%,其余为Al2O3;第二亚层TiO2的体积百分比为10~30%其余为Al2O3;第三层减反射层由Al2O3膜,厚度为20~60nm。
本发明提供一种具有TiO2和Al2O3双陶瓷结构高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法,包括以下几个步骤:
步骤一:在基体上制备第一层红外发射层;
采用纯金属靶直流或中频磁控溅射方法,纯金属靶为Cu靶或Ag靶(纯度99.99%),以Ar气作为溅射气体制备,基体采用高速钢。溅射前将真空室预抽本底真空至4×10-3~5×10-3Pa,通入惰性气体Ar作为溅射气氛,Ar气流量为100~140sccm,调整溅射距离为130~150mm,调节溅射气压为3×10-1~4×10-1Pa。开启纯金属靶的溅射靶电源,调整溅射电压为380~450V,溅射电流为8~10A,利用直流溅射方式制备,涂层厚度在50~250nm,得到第一层红外发射层,该层对红外波段光谱具有高反射特性,发射率低;
步骤二:在第一层红外发射层上制备第二层吸收层;
采用金属Ti靶(纯度99.99%)和Al靶(纯度99.99%)中频磁控溅射方法,反应气体为O2,首先,将真空室预抽本底真空至4×10-3~5×10-3Pa,同时然后通入Ar、和O2的混合气,Ar的流量为100~140sccm,O2的流量为20~50sccm,调节溅射气压为3×10-1~4×10-1Pa,分别开启Ti和Al靶电源,溅射时,调整Ti靶溅射电压为450~530V,溅射电流为6~8A,Al靶溅射电压为540~600V,溅射电流为4~6A,制备厚度为50~100nm第一亚层TiO2+Al2O3膜;
增加Al靶溅射电流为6~8A,减少Ti靶溅射电流为4~6A,其他各个参数不变,继续制备第二亚层TiO2+Al2O3膜,厚度为50~100nm;第一亚层和第二亚层除自身对太阳光谱具备固有吸收特性外,还形成干涉吸收效应,加强了涂层的光吸收作用;
步骤三:在第二层吸收层上制备第三层减反射层;
第三层减反射层由Al2O3膜构成;采用Al靶(纯度99.99%),溅射前将真空室预抽本底真空至4×10-3~5×10-3Pa,通入惰性气体Ar作为溅射气体,通入O2作为反应气体制备,O2的流量为20~40sccm,调节Ar与O2流量比为1.5∶1~3∶1,调整溅射距离为130~150mm,调节溅射气压为3×10-1~4×10-1Pa。溅射时,调整溅射电压为540~600V,溅射电流为8~10A,利用中频磁控溅射方式制备厚度为20~60nm的Al2O3膜即为第三层减反射层。减反射层具有增透、耐磨、抗氧化的作用。
本发明的优点在于:
本发明所提供的一种具有TiO2和Al2O3双陶瓷结构高温太阳能选择性吸收涂层由红外反射层、TiO2+Al2O3膜组成的双陶瓷干涉吸收层和陶瓷减反射层组成,具有可见-红外光谱高吸收率,红外光谱低发射率的特点,并且由于采用双陶瓷结构的干涉吸收层,具有良好的中高温热稳定性。该涂层制备工艺简便、操作方便、易于控制、缩短生产周期,与选择性吸收涂层由Nb红外反射层、Nb与Al2O3的混合物组成的双干涉吸收层和Al2O3减反射层相比较,本涂层选择的原材料Ti\Al是常规材料,应用范围比较广,成型性能好,可以加工成柱状靶材,显著提高靶材利用率,同时价格也比较低廉,可以进一步降低工作成本。适用于中高温工作温度的太阳能集热管。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种具有TiO2和Al2O3双陶瓷结构高温太阳能选择性吸收涂层,结合剖面如图1所示,涂层包括三层膜,从底层到表面依次为红外反射层、吸收层和减反射层;
第一层红外反射层由Cu膜或者Ag膜组成,位于基体表面,厚度在50~250nm;第二层吸收层包括两个亚层结构,两个亚层均为TiO2+Al2O3膜,第一亚层和第二亚层的厚度均为50~100nm,第一亚层和第二亚层的厚度可以相等也可以不相等;第一亚层中TiO2的体积百分比为20~40%,其余为Al2O3;第二亚层TiO2的体积百分比为10~30%其余为Al2O3;第三层减反射层由Al2O3膜,厚度为20~60nm。
本发明提出的一种具有TiO2和Al2O3双陶瓷结构高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法,如图2所示,包括以下几个步骤:
步骤一:在基体上制备第一层红外发射层;
采用纯金属靶直流或中频磁控溅射方法,纯金属靶为Cu靶或Ag靶(纯度99.99%),以Ar气作为溅射气体制备,基体采用高速钢。溅射前将真空室预抽本底真空至4×10-3~5×10-3Pa,通入惰性气体Ar作为溅射气氛,Ar气流量为100~140sccm,调整溅射距离为130~150mm,调节溅射气压为3×10-1~4×10-1Pa。开启纯金属靶的溅射靶电源,调整溅射电压为380~450V,溅射电流为8~10A,利用直流溅射方式制备,涂层厚度在50~250nm,得到第一层红外发射层,该层对红外波段光谱具有高反射特性,发射率低;
步骤二:在第一层红外发射层上制备第二层吸收层;
采用金属Ti靶(纯度99.99%)和Al靶(纯度99.99%)中频磁控溅射方法,反应气体为O2,首先,将真空室预抽本底真空至4×10-3~5×10-3Pa,同时然后通入Ar、和O2的混合气,Ar的流量为100~140sccm,O2的流量为20~50sccm,调节溅射气压为3×10-1~4×10-1Pa,分别开启Ti和Al靶电源,溅射时,调整Ti靶溅射电压为450~530V,溅射电流为6~8A,Al靶溅射电压为540~600V,溅射电流为4~6A,制备厚度为50~100nm第一亚层TiO2+Al2O3膜;
增加Al靶溅射电流为6~8A,减少Ti靶溅射电流为4~6A,其他各个参数不变,继续制备第二亚层TiO2+Al2O3膜,厚度为50~100nm;第一亚层和第二亚层除自身对太阳光谱具备固有吸收特性外,还形成干涉吸收效应,加强了涂层的光吸收作用;
步骤三:在第二层吸收层上制备第三层减反射层;
第三层减反射层由Al2O3膜构成;采用Al靶(纯度99.99%),溅射前将真空室预抽本底真空至4×10-3~5×10-3Pa,通入惰性气体Ar作为溅射气体,通入O2作为反应气体制备,O2的流量为20~40sccm,调节Ar与O2流量比为1.5∶1~3∶1,调整溅射距离为130~150mm,调节溅射气压为3×10-1~4×10-1Pa。溅射时,调整溅射电压为540~600V,溅射电流为8~10A,利用中频磁控溅射方式制备厚度为20~60nm的Al2O3膜即为第三层减反射层。减反射层具有增透、耐磨、抗氧化的作用。
本发明提供的太阳能选择性吸收涂层的性能为:在大气质量因子AM 1.5条件下,涂层吸收率为96.2%,法向发射率为0.07。进行真空退火处理,在2×10-2Pa真空度下,经350℃真空退火1小时后,涂层吸收率为96.2%,法向发射率为0.07,在2×10-2Pa真空度下,经500℃真空退火1小时后,涂层吸收率为96.0%,法向发射率为0.07。
实施例1:
本实施例提供一种具有TiO2和Al2O3双陶瓷结构高温太阳能选择性吸收涂层,包括三个涂层即第一层红外反射层、第二层吸收层、第三层减反射层,第一层为Cu膜,厚度为180nm,第二层总厚度为160nm,其中第一亚层厚度为100nm,第二亚层厚度为60nm,第一亚层中TiO2的体积百分比为25%,其余为Al2O3;第二亚层TiO2的体积百分比为15%其余为Al2O3;第三层为Al2O3膜,厚度为50nm。制备步骤如下:
步骤一:在基体上制备第一层红外发射层;
选用纯度和纯度为99.99%的Cu靶,基材使用高速钢。溅射前将真空室预抽本底真空至4.5×10-3Pa,通入惰性气体Ar作为溅射气氛,Ar气流量为120sccm,调整溅射距离为140mm,调节溅射气压为4×10-1Pa。开启Cu靶,调整溅射电压为400V,溅射电流为8A,利用直流磁控溅射方式制备180nm厚的Cu膜;
步骤二:在第一层涂层上制备第二层吸收层;
采用金属Ti靶和Al靶中频磁控溅射方法,将真空室预抽本底真空至4×10-3Pa,同时通入Ar和O2的混合气,Ar的流量为120sccm,O2的流量为20sccm,调节溅射气压为3.5×10-1Pa,分别开启Ti和Al靶电源,调整Ti靶溅射电压为490V,溅射电流为6.5A,Al靶溅射电压为540V,溅射电流为6A,在Cu膜上制备100nm厚的第一亚层TiO2+Al2O3膜;
调节调整Ti靶溅射溅射电流为4.5A,Al靶溅射溅射电流为8A,,继续制备厚度为60nm的第二亚层TiO2+Al2O3薄膜;
步骤三:在第二层上制备第三层减反射层;
选用纯度99.99%的Al靶,溅射前将真空室预抽本底真空至5×10-3Pa,同时通入Ar、O2混合气,调节Ar与O2流量比为3∶1,O2的流量为25sccm,调整溅射距离为145mm,调节溅射气压为4×10-1Pa,溅射时,调整溅射电流为8.3A,溅射电压为560V,利用中频磁控溅射方式制备50nm厚Al2O3膜。
本实施例制备的太阳能选择性吸收涂层的性能如下:在大气质量因子AM 1.5条件下,涂层吸收率为96.2%,法向发射率为0.07。进行真空退火处理,在2×10-2Pa真空度下,经350℃真空退火1小时后,涂层吸收率为96.2%,法向发射率为0.07,在2×10-2Pa真空度下,经500℃真空退火1小时后,涂层吸收率为96.0%,法向发射率为0.07。
实施例2:
本实施例提供一种具有TiO2和Al2O3双陶瓷结构高温太阳能选择性吸收涂层,涂层包括三层膜,从底层到表面依次为红外反射层、吸收层和减反射层;
第一层红外反射层由Cu膜组成,厚度在50nm;第二层吸收层包括两个亚层结构,两个亚层均为TiO2+Al2O3膜,第一亚层和第二亚层的厚度均为50nm,第一亚层中TiO2的体积百分比为20%,其余为Al2O3;第二亚层TiO2的体积百分比为10%,其余为Al2O3;第三层减反射层由Al2O3膜,厚度为20nm。
本实施例提出的一种具有TiO2和Al2O3双陶瓷结构高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法,包括以下几个步骤:
步骤一:在基体上制备第一层红外发射层;
采用纯金属靶直流或中频磁控溅射方法,纯金属靶为Cu靶(纯度99.99%),以Ar气作为溅射气体制备,基体采用高速钢。溅射前将真空室预抽本底真空至4×10-3Pa,通入惰性气体Ar作为溅射气氛,Ar气流量为100sccm,调整溅射距离为130mm,调节溅射气压为3×10-1Pa。开启纯金属靶的溅射靶电源,调整溅射电压为380V,溅射电流为8A,利用直流溅射方式制备,涂层厚度在50nm,得到第一层红外发射层,该层对红外波段光谱具有高反射特性,发射率低;
步骤二:在第一层红外发射层上制备第二层吸收层;
采用金属Ti靶(纯度99.99%)和Al靶(纯度99.99%)中频磁控溅射方法,反应气体为O2,首先,将真空室预抽本底真空至4×10-3Pa,同时然后通入Ar和O2的混合气,Ar的流量为100sccm,O2的流量为20sccm,调节溅射气压为3×10-1Pa,分别开启Ti和Al靶电源,溅射时,调整Ti靶溅射电压为450V,溅射电流为6A,Al靶溅射电压为540V,溅射电流为4A,制备厚度为50nm的第一亚层TiO2+Al2O3膜;
增加Al靶溅射电流为6A,减少Ti靶溅射电流为4A,其他各个参数不变,继续制备第二亚层TiO2+Al2O3膜,厚度为50nm;第一亚层和第二亚层除自身对太阳光谱具备固有吸收特性外,还形成干涉吸收效应,加强了涂层的光吸收作用;
步骤三:在第二层吸收层上制备第三层减反射层;
第三层减反射层由Al2O3膜构成;采用Al靶(纯度99.99%),溅射前将真空室预抽本底真空至4×10-3Pa,通入惰性气体Ar作为溅射气体,通入O2作为反应气体制备,O2的流量为20sccm,调节Ar与O2流量比为1.5∶1,调整溅射距离为130mm,调节溅射气压为3×10-1Pa。溅射时,调整溅射电压为540V,溅射电流为8A,利用中频磁控溅射方式制备厚度为20nm的Al2O3膜即为第三层减反射层。减反射层具有增透、耐磨、抗氧化的作用。
实施例3:
本实施例提出一种具有TiO2和Al2O3双陶瓷结构高温太阳能选择性吸收涂层,涂层包括三层膜,从底层到表面依次为红外反射层、吸收层和减反射层;
第一层红外反射层由Cu膜组成,厚度在250nm;第二层吸收层包括两个亚层结构,两个亚层均为TiO2+Al2O3膜,第一亚层和第二亚层的厚度均为100nm,第一亚层中TiO2的体积百分比为40%,其余为Al2O3;第二亚层TiO2的体积百分比为30%,其余为Al2O3;第三层减反射层由Al2O3膜,厚度为60nm。
本实施例提出的一种具有TiO2和Al2O3双陶瓷结构高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法,包括以下几个步骤:
步骤一:在基体上制备第一层红外发射层;
采用纯金属靶直流或中频磁控溅射方法,纯金属靶为Cu靶(纯度99.99%),以Ar气作为溅射气体制备,基体采用高速钢。溅射前将真空室预抽本底真空至5×10-3Pa,通入惰性气体Ar作为溅射气氛,Ar气流量为140sccm,调整溅射距离为150mm,调节溅射气压为4×10-1Pa。开启纯金属靶的溅射靶电源,调整溅射电压为450V,溅射电流为10A,利用直流溅射方式制备,涂层厚度在250nm,得到第一层红外发射层,该层对红外波段光谱具有高反射特性,发射率低;
步骤二:在第一层红外发射层上制备第二层吸收层;
采用金属Ti靶(纯度99.99%)和Al靶(纯度99.99%)中频磁控溅射方法,反应气体为O2,首先,将真空室预抽本底真空至5×10-3Pa,同时然后通入Ar、和O2的混合气,Ar的流量为140sccm,O2的流量为50sccm,调节溅射气压为4×10-1Pa,分别开启Ti和Al靶电源,溅射时,调整Ti靶溅射电压为530V,溅射电流为8A,Al靶溅射电压为600V,溅射电流为6A,制备厚度为100nm的第一亚层TiO2+Al2O3膜;
增加Al靶溅射电流为8A,减少Ti靶溅射电流为6A,其他各个参数不变,继续制备第二亚层TiO2+Al2O3膜,厚度为100nm;第一亚层和第二亚层除自身对太阳光谱具备固有吸收特性外,还形成干涉吸收效应,加强了涂层的光吸收作用;
步骤三:在第二层吸收层上制备第三层减反射层;
第三层减反射层由Al2O3膜构成;采用Al靶(纯度99.99%),溅射前将真空室预抽本底真空至5×10-3Pa,通入惰性气体Ar作为溅射气体,通入O2作为反应气体制备,O2的流量为30sccm,调节Ar与O2流量比为2.5∶1,调整溅射距离为150mm,调节溅射气压为4×10-1Pa。溅射时,调整溅射电压为600V,溅射电流为10A,利用中频磁控溅射方式制备厚度为60nm的Al2O3膜即为第三层减反射层。减反射层具有增透、耐磨、抗氧化的作用。
实施例4:
本实施例提供一种具有TiO2和Al2O3双陶瓷结构高温太阳能选择性吸收涂层,涂层包括三层膜,从底层到表面依次为红外反射层、吸收层和减反射层;
第一层红外反射层由Ag膜组成,厚度在150nm;第二层吸收层包括两个亚层结构,两个亚层均为TiO2+Al2O3膜,第一亚层和第二亚层的厚度均为75nm,第一亚层中TiO2的体积百分比为30%,其余为Al2O3;第二亚层TiO2的体积百分比为20%,其余为Al2O3;第三层减反射层由Al2O3膜,厚度为40nm。
本实施例提出的一种具有TiO2和Al2O3双陶瓷结构高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法,包括以下几个步骤:
步骤一:在基体上制备第一层红外发射层;
采用纯金属靶直流或中频磁控溅射方法,纯金属靶为Ag靶(纯度99.99%),以Ar气作为溅射气体制备,基体采用高速钢。溅射前将真空室预抽本底真空至4.5×10-3Pa,通入惰性气体Ar作为溅射气氛,Ar气流量为120sccm,调整溅射距离为140mm,调节溅射气压为3.5×10-1Pa。开启纯金属靶的溅射靶电源,调整溅射电压为420V,溅射电流为9A,利用直流溅射方式制备,涂层厚度在150nm,得到第一层红外发射层,该层对红外波段光谱具有高反射特性,发射率低;
步骤二:在第一层红外发射层上制备第二层吸收层;
采用金属Ti靶(纯度99.99%)和Al靶(纯度99.99%)中频磁控溅射方法,反应气体为O2,首先,将真空室预抽本底真空至4.5×10-3Pa,同时然后通入Ar、和O2的混合气,Ar的流量为120sccm,O2的流量为35sccm,调节溅射气压为3.5×10-1Pa,分别开启Ti和Al靶电源,溅射时,调整Ti靶溅射电压为480V,溅射电流为7A,Al靶溅射电压为570V,溅射电流为5A,制备厚度为75nm的第一亚层TiO2+Al2O3膜;
增加Al靶溅射电流为7A,减少Ti靶溅射电流为5A,其他各个参数不变,继续制备第二亚层TiO2+Al2O3膜,厚度为75nm;第一亚层和第二亚层除自身对太阳光谱具备固有吸收特性外,还形成干涉吸收效应,加强了涂层的光吸收作用;
步骤三:在第二层吸收层上制备第三层减反射层;
第三层减反射层由Al2O3膜构成;采用Al靶(纯度99.99%),溅射前将真空室预抽本底真空至4.5×10-3Pa,通入惰性气体Ar作为溅射气体,通入O2作为反应气体制备,O2的流量为40sccm,调节Ar与O2流量比为2∶1,调整溅射距离为140mm,调节溅射气压为3.5×10-1Pa。溅射时,调整溅射电压为570V,溅射电流为9A,利用中频磁控溅射方式制备厚度为40nm的Al2O3膜即为第三层减反射层。减反射层具有增透、耐磨、抗氧化的作用。