CN102350847A - 包埋镧铝合金纳米团蔟的金属陶瓷太阳能吸收涂层及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种选用镧铝(LaAl)合金的金属陶瓷太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。该涂层自基底向上依次包括镧铝合金反射层薄膜、氮化镧铝金属陶瓷内包埋稀土镧铝合金纳米团簇的太阳能吸收层薄膜和氮化镧铝减反射层薄膜。该方法采用现有的采用单室单靶或多靶设备，直接用镧铝合金靶，根据所设定的工艺条件及参数，溅射生成所述涂层。与现有技术相比，本发明所述涂层的热稳定性好、制造工艺简单、生产效率高、对太阳光谱300nm至红外光谱具有选择性吸收功能，在太阳辐射区域有强烈的吸收。

Description

包埋镧铝合金纳米团蔟的金属陶瓷太阳能吸收涂层及方法

技术领域

本发明属于太阳能光热吸收薄膜技术领域，特别涉及将具有高熔点特性之稀土金属-金属合金(RE-M)生成的纳米团蔟包埋在氮化物金属陶瓷中的新型光热功能薄膜及其制备技术。

背景技术

氮化物或氧化物金属陶瓷薄膜具有优异的光学性能，如：TiO₂，AlN，Al₂O₃，TiN等等，各自具有特定的光谱性能。像TiO₂薄膜对紫外光吸收，而可见光可以通过；TiN和AlN等薄膜对太阳光谱是完全透明的。

氮化物或氧化物金属陶瓷薄膜虽然各自有特定的光谱性能，但是，通过特殊的处理，采用掺杂、离子注入、包埋选定的元素团蔟等等手段，可以改变金属陶瓷薄膜的光学性能。

目前大批量生产的商用太阳能选择性吸收薄膜基本上有两种方法，这两种方法都是基于金属陶瓷薄膜包埋金属纳米团簇的原理，均采用磁控溅射方法实现。

一种是称为铝-氮-铝(Al-N-Al)的太阳能选择性吸收薄膜，它是金属铝元素按照设定的比例包埋在氮化铝金属陶瓷中。

由这种选择性吸收薄膜为主制备的太阳能集热器涂层结构为：在基体上制备铜(Cu)或铝(Al)金属反射层薄膜，其上制备氮化铝包埋铝金属纳米团簇(Al-N-Al)的金属陶瓷选择性吸收薄膜层，最后是氮化铝(AlN)减反射薄膜层。这种组合涂层对300nm至红外光谱具有选择性吸收性能，在太阳辐射区域有强烈的吸收。

该组合涂层使用两靶或单靶溅射炉生产(采用铜反射层时使用铜、铝两只靶，若用铝为反射层时，使用一只铝靶即可)，一只铝靶在一定量的氮气条件下的反应溅射可以生成氮化铝包埋铝金属团簇的金属陶瓷薄膜，而要得到纯净的氮化铝窗口层，只需改变提供氮气的气量，用同一只铝靶就可以完成，该铝靶或另加一只铜靶可以用来制作铝反射层或铜反射层。

以上复合涂层制备方法较为简单，工艺也成熟，铝的溅射速率较高因而相应的生产效率也较高。制备的涂层对太阳光谱具有较好的吸收性能。但这种涂层不具备高温下的热稳定性，涂层使用温度局限在150℃左右，主要受限于铝-氮-铝(Al-N-Al)的太阳能选择性吸收薄膜。

另一种是96102331.7发明专利公开的一种太阳能选择性吸收涂层及其制法，其吸收涂层由金属陶瓷组成，该金属陶瓷是在混合气体介质中由多种金属电极同时溅射在红外反射金属上，其中第二金属电极和介质中的活性气体反应，第一金属电极则不与活性气体反应。其制作方法由以下步骤组成：

(a)用非反应溅射工艺把一种红外反射金属层沉积在一种基底材料上；

(b)在反射金属层上沉积一种太阳能吸收涂层，

该吸收涂层沉积为金属陶瓷，金属陶瓷则是在至少有一种活性气体的混合气体介质中由第二金属电极与介质中的活性气体反应和第一金属电极不与活性气体反应同时溅射而形成的。

第一电极选择钨、钨合金、不锈钢、镍、镍合金、镍合金、镍铬合金、铂、铱、锇、钌、铑、徕、钼、钼合金及金。第二电极从铝和镁中选取。金属陶瓷在氮气(N)和一惰性溅射支持气体存在下由第一、第二电极共同溅射而形成。反射金属层由包含下述金属组的金属沉积而成：铝、钨、铜、金、银和钼。

该专利称提供了制备热稳定性好的中高温太阳能选择性吸收涂层的途径，其涂层具备高温热稳定性。但是该专利选择高熔点金属作为靶材(可称之为“高熔点金属包埋技术”)，而高熔点金属价格比较昂贵，生产设备复杂，其溅射速率低、溅射能耗高、金属材料的冶炼和靶材加工难度大。

除了上述的两种涂层外，多年来人们还研制了氧化铬、铬-氮、铬-碳、钛-碳、钛-氮-碳、锆-氮-碳、镍-碳、镍-氮、钼-碳、不锈钢-碳等复合薄膜，其中有几种也已作为太阳能集热涂层用于商业化生产，但规模不大。

现有技术中还有一种太阳能真空管开水器(ZL95226359.9)，其吸收涂层选用稀土铝硅合金及其化合物。

稀土铝硅合金是常用于机械、铸造以及电线电缆行业的一种以铝、硅为主要成分的锻造和铸造用金属合金材料，硅含量范围在10-30％，常用硅含量为11％、稀土含量为0.5-2％、微量的铜、铁、镍，其余为铝。材料的密度2.6～2.7g/cm3，导热系数101～126w/m.℃，杨氏模量71.0GPa，冲击值7～8.5J，疲劳极限±45MPa。

稀土铝硅合金中硅是主要合金元素，用于改善合金的流动性，降低热裂倾向、减少疏松和提高材料的气密性。铝硅合金的共晶点为含硅12.6％，超过此值时，硅的颗粒含量高，微量稀土元素的加入，可以使合金中的硅相由粗大的板片状转变为细小的纤维状，经进一步热处理后再转变为颗粒状而发生变质，从而获得性能改善，特别是韧性的很大改善。

从铝硅合金的相图上看，如表1所示，其热稳定性(在硅含量10-30％条件下，熔点为580～830℃，与纯铝相比变化不大。只有在选用高硅(30％)铝合金时才可能得到熔点为830℃左右的合金材料，硅含量再提高时材料的性能变脆，使用起来有困难。微量稀土金属的加入，不能改变铝硅合金的热稳定性能。

表1：

上述太阳能真空管开水器技术以稀土铝硅合金及其化合物作为涂层材料，意图是利用铝硅合金的高温热稳定性，可以获得较好效果。但是，该发明没有给出需要的合金铝硅比例，如果使用现有牌号的铝硅合金材料，无法将光热吸收薄膜的高温热稳定性提高到令人满意的水平。

重要的是，该技术发明人同时还指出，由于高含量硅的存在使得在制作纯金属反射层薄膜时会出现与基底(含金属、玻璃及其他材质)粘接不牢的问题。为解决此问题，必须在其纯金属反射层薄膜和基底之间增加一层金属化合物过渡层以增加粘接性，从而增加了涂层制造的难度、影响生产效率的提高。为此该项发明没有获得很好的推广。

上述两种(高熔点金属包埋技术、稀土铝硅合金涂层技术)涂层各层的厚度如表1所示：

表2：

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种选用镧铝合金的太阳能吸收涂层及其制备方法，该涂层采用包埋高熔点镧铝合金团簇的金属陶瓷选择性吸收薄膜，具有长期热稳定性好的特点，其制备方法简便，易于掌握。可以在设备投资较少的情况下实现大规模生产，且可提高生产效率，并能相应的降低能耗和生产成本。

本发明提出的一种包埋镧铝合金纳米团蔟的金属陶瓷太阳能吸收涂层，该涂层为多层复合结构，自基底向上依次包括金属反射层薄膜、太阳能吸收层薄膜和减反射层薄膜，其特征在于，所述金属反射薄膜为稀土镧铝合金(LaAl)反射层薄膜，所述太阳能吸收层薄膜为氮化镧铝(LaAlN)金属陶瓷内包埋稀土镧铝合金(LaAl)纳米团簇(LaAl-N-LaAl)的太阳能吸收薄膜，所述减反射层薄膜为氮化镧铝(LaAlN)减反射层薄膜。

所述的太阳能吸收涂层中镧、铝的原子比可为3～4∶6～7。

所述吸收层薄膜的厚度范围可为150～200nm。

金属反射层薄膜的厚度范围可为100～180nm。

本发明提出一种制备上述涂层的方法，其特征在于，采用单室单靶溅射设备，该方法包括以下步骤：

1)制备第一层：直接用镧铝合金靶、磁控溅射制备金属反射层薄膜，具体操作如下：

先将高真空溅射腔室的真空度抽至好于5×10^-4Pa，从氩气进气管通入工作气体氩气，气压控制在5Pa～5×10^-2Pa；

打开直流或脉冲直流溅射电源，电压控制在250～600V；溅射电流密度控制在5～250mA/cm²；溅射功率控制在2～150w/cm²；溅射速率控制在10-500nm/min；溅射时间为3～20min，获得镧铝合金(LaAl)反射层薄膜；

2)制备第二层：在第一步中氩气压相同的条件下，氩气压作为背景条件，从氮气进气管通入反应气体氮气，氮气分压控制在2Pa～5×10^-3Pa，打开直流或脉冲直流溅射电源，控制电压、电流、功率和溅射速率与第一步相同，溅射时间一般需要10～30min，获得氮化镧铝包埋镧铝合金纳米团簇(LaAl-N-LaAl)吸收层薄膜；

3)制备第三层：在第二步的背景氩气压不变的条件下，通入充足的反应气体氮气，氮气分压控制在5Pa～5×10^-2Pa，镧铝合金靶仍采用第一步的磁控直流反应溅射参数操作，溅射时间一般需要7～30min，生成氮化镧铝陶瓷(LaAlN)减反射层薄膜。

本发明提出另一种制备上述涂层的方法，其特征在于，采用多靶真空溅射设备，该方法包括以下步骤：

1)制备第一层：直接用多只镧铝合金靶同时进行磁控溅射制备金属反射层薄膜，具体操作如下：

将高真空溅射腔室的真空度抽至好于5×10^-4Pa，分别从氩气进气管通入工作气体氩气，气压控制在5Pa-5×10^-2Pa；打开三只镧铝合金靶的直流或脉冲直流溅射电源，每个靶电压分别控制在250-600V；溅射电流密度控制在5～250mA/cm²；各靶溅射速率控制在10-500nm/min；溅射时间为1～10min，获得稀土镧铝合金反射层薄膜；

2)制备第二层：在第一步中操作参数相同的条件下，氩气压作为背景条件，从氮气进气管通入反应气体氮气，将氮气分压控制在2Pa～5×10^-3Pa，同时打开三只镧铝合金靶的直流或脉冲直流溅射电源，控制电压、电流、功率和溅射速率与第一步相同，溅射时间一般需要4～15min，获得氮化镧铝包埋稀土镧铝合金纳米团簇吸收层薄膜；

3)制备第三层：在第二步的操作参数及背景氩气压不变的条件下，通入充足的反应气体氮气，氮气分压控制在5Pa～5×10^-2Pa，溅射时间为3～15min；三只镧铝合金靶共同溅射生成氮化镧铝陶瓷薄膜减反射层薄膜。

本发明的特点及技术效果：

一、本发明的薄膜具有如下特点及技术效果：

a.本发明采用氮化镧铝金属陶瓷包埋镧铝合金(LaAl-N-LaAl)团簇作为太阳能吸收薄膜，使得原来十分透明的氮化镧铝(LaAlN)改性为极好的太阳能选择性吸收材料。太阳光谱的可见光至红外光部分(300～3000nm)经过多次反射、折射、干涉、吸收后，绝大部分(94％以上)被薄膜吸收，转化为热量，传导到基底内部得以利用；另一方面，改性后的涂层变为黑兰色，黑体的发射率降到很低(5％以下)，从而成为很好的太阳能金属陶瓷选择性吸收薄膜。

b.本发明经过本发明人长期实践得到：只有在金属铝中加入适量的稀土元素镧而获得的合金，其热稳定性才会有极大的改善，如表3所示本发明首次提出镧与铝的合金原子比为3～4∶6～7，其熔点将提高至1390～1400℃，而铝的熔点原为660℃，镧的熔点原为900℃。显然，合金的热稳定性大大提高。

表3为镧铝合金在不同镧含量时的熔点数据，明显可以看出，只有在镧与铝的合金成分比为3～4∶6～7时，其熔点才可能提高至1390～1400℃。

表3：

而氮化铝和氮化镧两种金属氧化物的熔点均在2400℃以上，使得复合金属陶瓷薄膜的热稳定性好，长期用于350℃(中高温)以上的条件下不会发生变化，因此成为在太阳能热利用中可以应用的中高温太阳能金属陶瓷选择性吸收涂层。

本发明的热稳定性优于以铝作为反射层、氮化铝及铝为包埋层、氮化铝为减反射层的太阳能选择性吸收涂层(Al-N-Al)；以稀土铝硅合金作为反射层、氮化铝硅及铝硅合金为包埋层、氮化铝硅为减反射层的太阳能选择性吸收涂层(AlSi-N-AlSi)。与以铜作为反射层、氮化铝及不锈钢为包埋层和氮化铝为减反射层的太阳能选择性吸收涂层(Al-N-SS)相当。

c.本发明选用三层薄膜的涂层技术，制备方法简便，优于四层薄膜的稀土铝硅合金涂层技术。

d.本发明选用的稀土镧产量大、价格便宜，可以降低成本，适宜用在大规模工业生产中。

二、本发明的制造方法具有如下特点及技术效果：

e.本发明采用直流磁控溅射与反应溅射制备薄膜，工艺流程设备为本专业技术人员所公知，本发明采用单室和一只镧铝合金靶磁控溅射设备制备氮化镧铝金属陶瓷包埋镧铝合金纳米团蔟(LaAl-N-LaAl)的太阳能选择性吸收薄膜，不但使得本发明的工艺条件易于掌握。而且可以在设备投资较少的情况下实现大规模生产。

f.溅射速率和生产效率：由于镧铝合金在相同功率条件下的溅射速率高于高熔点金属，可以提高大规模生产时的生产效率。

目前在中高温太阳能热利用装置上应用的太阳能金属陶瓷选择性吸收涂层多以溅射方法制造。现将已有技术的高熔点金属钨(W)、钼(Mo)、不锈钢(SS)金属铝(Al)与本发明的镧铝合金(LaAl)在相同溅射工艺条件下(600eV)的溅射速率进行比较，其结果见表4：

表4

从上表可以明显看出，本发明以溅射制备氮化镧铝(LaAl-N)包埋镧铝合金纳米团簇(LaAl)的方法制造太阳能金属陶瓷选择性吸收涂层时，具备获得比包埋高熔点金属纳米团簇的太阳能吸收涂层(如Al-N-SS)高得多的溅射速率从而在商业化生产时能够成倍的提高生产效率。

g.能耗：由于镧铝合金的溅射工艺易于控制、溅射时间短、溅射电源功率消耗较少，使得大规模生产过程的能耗较低。

h.本发明也可以使用单室多靶或多室多靶溅射设备生产，特别是能够充分利用现有太阳能热利用装置的生产制造设备，经过简单改造后实现本发明中高温太阳能热利用装置的生产。

将现有设备的多只溅射靶全部更换为稀土镧铝合金靶，按照本发明提出的制备方法生产包埋镧铝合金纳米团蔟太阳能金属陶瓷选择性吸收涂层(LaAl-N-LaAl)的太阳能集热管。从对几种金属材料溅射速率的分析已经十分明确，采用本发明技术，多靶同时溅射镀膜，可以获得比现有技术成倍提高的生产效率，并会相应的降低能耗和生产成本。

i.由于磁控溅射的成膜范围具有方向性，本发明具有向一个真空腔室中加入更多溅射靶从而更大的提高生产效率的设计空间。

总言之，上述优点使本发明在产品的性价比、能耗、生产效率和商业价值上优于所有现有技术。本发明的实现，有利于新能源的普及和发展。

附图说明

图1是本发明的包埋镧铝合金(LaAl)纳米团蔟的太阳能金属陶瓷选择性吸收涂层剖面示意图。

图2是在太阳能集热管上制备本发明所述涂层所使用的单室单靶直流磁控溅射设备断面示意图。

图3是在太阳能集热管上制备本发明所述涂层所使用的经改造单室三靶直流磁控溅射设备(目前大量在用设备)断面示意图。

具体实施方式

本发明提出的包埋镧铝合金纳米团蔟的金属陶瓷太阳能吸收涂层及其制备方法，结合附图及实施例进一步说明如下：

本发明所述包埋镧铝合金团蔟的金属陶瓷选择性吸收涂层的结构如图1所示，包括依次在基体1上溅射的镧铝合金反射金属层薄膜(LaAl)5、氮化镧铝包埋镧铝合金纳米团簇吸收层薄膜(镧铝合金纳米团簇包埋于氮化镧铝金属陶瓷中LaAl-N-LaAl)6和氮化镧铝(LaAlN)减反射层薄膜7。

各膜层的成分及厚度如表5所示：

表5

其中，吸收层的镧与铝的合金成分的原子比为3～4∶6～7。

采用本发明所述薄膜来制备太阳能集热管涂层时使用的单室单靶溅射设备结构如图2所示，该设备设置在高真空溅射腔室8内。在单室单靶磁控溅射装置中仅设置一只镧铝合金靶2(镧与铝的合金成分的原子比为3～4∶6～7)及隔离档板9，靶的外围环状安放基底1。高真空溅射腔室8内还设有一套传送系统(未画出)，使基底1可以在沿着被安放的环行轨道转动的同时实现自身旋转，以便既能不断以新的膜层来面对靶2的磁控溅射工作面，又能反复在旋转的靶2面前通过，从进气管4、3通入氩气和氮气。

本发明采用该设备的制备方法按以下操作顺序进行：

第一步，制备第一层：直接用镧铝合金靶(LaAl)磁控溅射制备金属反射层薄膜。先将高真空溅射腔室的真空度抽至好于5×10^-4Pa，从氩气(Ar)进气管4通入工作气体氩气，气压控制在5Pa～5×10^-2Pa，通常的推荐工作气压为1Pa～5×10^-1Pa；

打开直流或脉冲直流溅射电源(图中未注明)，电压控制在250～600V，推荐的溅射电压为300～350V；溅射电流密度控制在5～250mA/cm²，推荐的溅射电流密度为50～80mA/cm²；溅射功率控制在2～150w/cm²，推荐的溅射功率为15～40w/cm²；溅射速率一般控制在10-500nm/min，推荐操作采用的溅射速率为50-150nm/min；溅射时间一般需要3～20min，推荐为6～8min，获得稀土镧铝合金(LaAl)反射层薄膜；

在此期间，镧铝合金(LaAl)靶材2在氩(Ar)离子轰击下，合金的原子或原子团蔟被溅射出来，在基底(玻璃或金属)1上得到致密度高、质量好的镧铝合金(LaAl)金属反射层薄膜；制备的镧铝合金(LaAl)金属反射层对红外光谱具有很好的反射效果。

第二步，制备第二层：在上述第一步中氩气压相同的条件下(此步氩气压作为背景条件)，从氮气(N₂)进气管3通入反应气体氮气，氮气分压控制在2Pa～5×10^-3Pa，推荐氮气分压值为5×10^-2～1×10^-2Pa，打开直流或脉冲直流溅射电源，控制电压、电流、功率和溅射速率与第一步基本相同，精细调整氮气分压参数，获得高质量氮化镧铝包埋镧铝合金纳米团簇(LaAl-N-LaAl)吸收层薄膜，溅射时间一般需要10～30min，推荐为15～20min；

上述制备过程中，镧铝合金靶(LaAl)2部分溅射出的金属团簇与氮气反应生成氮化镧铝，其余溅射出的金属团簇包埋在氮化镧铝金属陶瓷中，形成氮化镧铝包埋镧铝金属团簇的吸收层(LaAl-N-LaAl)；通过控制氮气的供应量即可控制在金属陶瓷薄膜中镧铝金属团簇的包埋量，获得对太阳光谱吸收率最好的吸收效果；

这种包埋过程在镧铝合金靶的溅射区域内进行的，直至达到所需要的厚度为止；

第三步，制备第三层：在第二步的背景氩气压不变的条件下，通入充足(过量氮气，氮气分压控制在5Pa～1×10^-3Pa，推荐氮气分压值为1×10^-1～5×10^-2Pa  )的反应气体氮气，镧铝合金靶(LaAl)2仍采用第一步的磁控直流反应溅射参数操作，则可生成氮化镧铝陶瓷(LaAlN)减反射层薄膜，溅射时间一般需要7～30min，推荐为10～15min；

上述三步依次进行，用时约18～48分钟，完成包埋镧铝合金的太阳能金属陶瓷选择性吸收涂层的制备(制备方法中的工艺条件及参数的操作均属于本领域技术人员的基本知识)。

上述制备方法的推荐操作参数如表6所示：

表6

此外，本发明考虑到将现有多靶设备的溅射靶全部更换为镧铝合金靶(LaAl)，即可使用本发明提供的制备技术，生产高质量的中高温太阳能集热管，同时使生产效率和产能大大提高。

下面以单室三靶溅射设备为例进行说明，其结构如图3所示，其制备方法简述如下：

真空溅射炉10内设置三个镧铝合金靶(LaAl)2(镧与铝的合金成分的原子比为3～4∶6～7)位于三靶真空溅射设备腔室10的三个位置，三个靶间有隔离档板11，靶的外围环状安放基底(玻璃或金属)1。

使各镧铝合金(LaAl)靶2和基底1之间维持不同电位，从进气管4、3通入氩气和氮气，用氩离子轰击靶材表面，金属纳米团簇被溅射出来，镧铝合金靶2处于氩气和氮气中，不通氮气时，形成直流磁控溅射条件，生成镧铝合金金属薄膜；通入氮气时，形成反应溅射气氛，生成氮化镧铝透明金属陶瓷薄膜；在氩气气氛中，适当控制氮气的供应量，形成部分反应溅射气氛，被溅射出的纳米金属纳米团簇一部分与氮气反应生成氮化镧铝透明金属陶瓷薄膜，另一部分无法与氮气反应，则直接被包埋在氮化物中，从而完成复合涂层的制作过程(制备方法中的工艺条件及参数的操作均属于本领域技术人员的基本知识)。

各层制备工艺流程分别说明如下：

第一步，制备第一层：直接用三只镧铝合金靶(LaAl)同时进行磁控溅射制备金属反射层薄膜；

将高真空溅射腔室的真空度抽至好于5×10^-4Pa，分别从氩气(Ar)进气管4通入工作气体氩气，气压控制在5Pa-5×10^-2Pa，推荐工作气压为1Pa～5×10^-1Pa；打开三只镧铝合金靶(LaAl)的直流或脉冲直流溅射电源(图中未注明)，每个靶电压分别控制在250-600V，推荐的溅射电压为300～350V；溅射电流密度控制在5～250mA/cm²，推荐的溅射电流密度为50～80mA/cm²；各靶溅射速率一般控制在10-500nm/min，推荐操作采用的溅射速率为50-150nm/min；溅射时间一般需要1～10min，推荐为2～3min；

镧铝合金的原子或原子团蔟被溅射出来，控制溅射电源的电流、电压，可以在基底1上得到致密度高、对红外光谱具有很好的反射效果的镧铝合金(LaAl)金属反射层薄膜；由于三只靶共同溅射镀膜，所用的镀膜时间可以缩短到单靶的1/3；

第二步，制备第二层：在上述第一步中操作参数相同的条件下(此步氩气压作为背景条件)，从氮气(N₂)进气管3通入反应气体氮气，将氮气分压控制在2Pa～5×10^-3Pa，推荐氮气分压值为5×10^-2～1×10^-2Pa，同时打开三只镧铝合金靶(LaAl)2的直流或脉冲直流溅射电源，控制电压、电流、功率和溅射速率与第一步基本相同，精细调整氮气分压参数，即可获得高质量氮化镧铝包埋镧铝合金纳米团簇(LaAl-N-LaAl)吸收层薄膜，由于是三只靶共同溅射，溅射时间一般需要4～15min，推荐为5～7min；

三只镧铝合金靶(LaAl)2在上述氮气条件下共同溅射，一部分溅射出的金属团簇与氮气反应生成氮化镧铝，严格控制上述的氮气分压，使其余溅射出的金属团簇包埋在氮化镧铝金属陶瓷中，形成氮化镧铝包埋镧铝金属团簇的吸收层薄膜(LaAl-N-LaAl)；

(控制和调整氮气的供应量即可控制在金属陶瓷薄膜中镧铝金属团簇的包埋量，获得对太阳光谱吸收率较高的金属陶瓷吸收层。这种包埋过程分别在三只镧铝合金靶的溅射区域内进行并叠加在一起，直至达到所需要的厚度为止，镀膜时间也可以大大缩短。)

第三步，制备第三层：在第二步的操作参数及背景氩气压不变的条件下，通入充足(过量，氮气分压控制在5Pa～1×10^-3Pa，推荐氮气分压值为1×10^-1～5×10^-2Pa)的反应气体氮气，三只镧铝合金靶(LaAl)2仍采用与上述第二步中同样条件的磁控直流反应溅射方法共同溅射生成氮化镧铝陶瓷薄膜(LaAlN)减反射层薄膜。，溅射时间一般需要3～15min，推荐为2～4min；

三靶溅射炉制备方法的推荐操作参数如表7所示：

表7

从上述对单靶和三靶溅射炉的制备方法分析中可以明显看出本发明所提供的技术方案与现有技术相比，在生产效率、能耗、设备和操作的复杂程度等方面都具有十分明显优势。此外，还可以有许多不同的组合方法来装备溅射设备。

实施例1：

在单室单靶真空溅射炉8内制作LaAl-N-LaAl品系中高温太阳能集热管之中高温太阳能选择性吸收涂层。一只溅射靶2材质为镧铝合金(LaAl)(镧与铝的合金成分的原子比为3∶7)，采用的工作参数如表8所示：

表8

太阳能选择性吸收涂层的第一层为稀土镧铝合金(LaAl)反射层薄膜，第二层为包埋稀土镧铝合金(LaAl)的金属陶瓷吸收层薄膜(LaAlN)，第三层为氮化镧铝减反射层薄膜(LaAlN)。

实施例2

在单室三靶真空溅射炉10内制作LaAl-N-LaAl品系中高温太阳能集热管之中高温太阳能选择性吸收涂层。三只溅射靶2材质均为镧铝合金(LaAl)(镧与铝的合金成分的原子比为4∶6)，采用的工作参数如表9所示：

表9

与单室单靶溅射设备相同，太阳能选择性吸收薄膜的第一层为镧铝合金(LaAl)反射层薄膜，第二层为包埋镧铝合金(LaAl)的金属陶瓷吸收层薄膜(LaAlN)，第三层为氮化镧铝减反射层薄膜(LaAlN)。

经测定，上述两个实施例所得到的中高温太阳能选择性吸收涂层对波长300～3000nm之间光谱的吸收率大于92％，发射率小于5％，热损系数小于0.45。

上述实施例所得中高温太阳能真空集热管之中高温太阳能选择性吸收涂层技术参数均符合国标规定。导热系数λ(Cal/cm.s.℃)：铜Cu＝0.94(元素)；铝Al＝0.53(元素)；镧铝合金LaAl≈0.6～0.7(合金)。

Claims (6)

1.一种包埋镧铝合金纳米团蔟的金属陶瓷太阳能吸收涂层，该涂层为多层复合结构，自基底向上依次包括金属反射层薄膜、太阳能吸收层薄膜和减反射层薄膜，其特征在于，所述金属反射薄膜为镧铝合金LaAl反射层薄膜，所述太阳能吸收层薄膜为氮化镧铝LaAlN金属陶瓷内包埋镧铝合金LaAl纳米团簇LaAl-N-LaAl的太阳能吸收薄膜，所述减反射层薄膜为氮化镧铝LaAlN减反射层薄膜。

2.如权利要求1所述的金属陶瓷太阳能吸收涂层，其特征在于，所述的太阳能吸收涂层中镧、铝的原子比为3～4∶6～7。

3.如权利要求5所述的金属陶瓷太阳能吸收涂层，其特征在于，所述吸收层薄膜的厚度范围为150～200nm。

4.如权利要求1所述的金属陶瓷太阳能吸收涂层，其特征在于，金属反射层薄膜的厚度范围为100～180nm。

5.制备如权利要求1所述涂层的方法，其特征在于，采用单室单靶溅射设备，该方法包括以下步骤：

1)制备第一层：直接用镧铝合金靶、磁控溅射制备金属反射层薄膜，具体操作如下：

先将高真空溅射腔室的真空度抽至好于5×10^-4Pa，从氩气进气管通入工作气体氩气，气压控制在5Pa～5×10^-2Pa；

打开直流或脉冲直流溅射电源，电压控制在250～600V；溅射电流密度控制在5～250mA/cm²；溅射功率控制在2～150w/cm²；溅射速率控制在10-500nm/min；溅射时间为3～20min，获得镧铝合金LaAl反射层薄膜；

2)制备第二层：在第一步中氩气压相同的条件下，氩气压作为背景条件，从氮气进气管通入反应气体氮气，氮气分压控制在2Pa～5×10^-3Pa，打开直流或脉冲直流溅射电源，控制电压、电流、功率和溅射速率与第一步相同，溅射时间一般需要10～30min，获得氮化镧铝包埋镧铝合金纳米团簇(LaAl-N-LaAl)吸收层薄膜；

3)制备第三层：在第二步的背景氩气压不变的条件下，通入充足的反应气体氮气，氮气分压控制在5Pa～5×10^-2Pa，镧铝合金靶仍采用第一步的磁控直流反应溅射参数操作，溅射时间一般需要7～30min，生成氮化镧铝陶瓷LaAlN减反射层薄膜。

6.制备如权利要求1所述涂层的方法，其特征在于，采用多靶真空溅射设备，该方法包括以下步骤：

1)制备第一层：直接用多只镧铝合金靶同时进行磁控溅射制备金属反射层薄膜，具体操作如下：

将高真空溅射腔室的真空度抽至好于5×10^-4Pa，分别从氩气进气管通入工作气体氩气，气压控制在5Pa-5×10^-2Pa；打开三只镧铝合金靶的直流或脉冲直流溅射电源，每个靶电压分别控制在250-600V；溅射电流密度控制在5～250mA/cm²；各靶溅射速率控制在10-500nm/min；溅射时间为1～10min，获得稀土镧铝合金反射层薄膜；

2)制备第二层：在第一步中操作参数相同的条件下，氩气压作为背景条件，从氮气进气管通入反应气体氮气，将氮气分压控制在2Pa～5×10^-3Pa，同时打开三只镧铝合金靶的直流或脉冲直流溅射电源，控制电压、电流、功率和溅射速率与第一步相同，溅射时间为4～15min，获得氮化镧铝包埋稀土镧铝合金纳米团簇吸收层薄膜；

3)制备第三层：在第二步的操作参数及背景氩气压不变的条件下，通入充足的反应气体氮气，氮气分压控制在5Pa～5×10^-2Pa，溅射时间为3～15min；三只镧铝合金靶共同溅射生成氮化镧铝陶瓷薄膜减反射层薄膜。

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