CN102353164A - 一种高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温选择性太阳能吸收涂层，由下到上依次为红外高反射底层、光选择性吸收层和减反层，所述红外高反射底层为纯金属薄膜，所述光选择性吸收层包括两层NiCrAlY合金含量不同的NiCrAlY-M金属陶瓷薄膜，其中M为AlN或SiAl合金的氮化物，所述减反层为介质膜。本发明还公开了其制备方法。其制备工艺易于调控，所得涂层具有很好的耐高温性能、红外反射能力和发射比性能，光谱吸收性能好，机械性能强。

Description

一种高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能吸收涂层及其制备方法，具体涉及一种在高温下仍然能使用的太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。

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、天然气等的日益枯竭，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，开发太阳能既经济又环保，是缓解能源紧张的新途径。

太阳能选择性吸收涂层是太阳能光热过程中的核心部分，通过吸收太阳光并转化为热能。优秀的太阳能选择性吸收涂层在太阳能光谱（波长0.3~2.5μm）范围有较高的吸收比α值，同时在红外光谱（波长2.5~5.0μm）范围内具有较低的红外发射比ε值。

高温太阳能选择性吸收涂层是决定高温真空太阳集热管效率及发电效率的关键要素之一。高温真空太阳集热管使用过程温度达到350℃以上，这就要求吸收涂层不仅有很好的光谱吸收性能，还需要具有好的耐高温和机械性能。

目前国内应用较广的是中国专利CN85100142公开的Al-N/Al渐变涂层，该涂层具有良好的光谱选择性，涂层的太阳吸收比可达α≈0.92，红外发射比ε≈0.06（100℃）。但当温度升高时，涂层的发射比也随之急剧上升，不适合在高温状态下使用。

发明内容

针对上述不足，本发明提供了一种在高温状态下能够稳定工作的高温太阳选择性吸收涂层，该涂层在高温环境下仍然能正常使用，且光谱吸收性能，耐高温、机械性能均很好。

本发明还提供了涂层的制备方法，该制备方法过程易于调控，所得涂层性能优越。

本发明采用的技术方案为：

一种高温选择性太阳能吸收涂层，其特征是：由下到上依次为红外高反射底层、光选择性吸收层和减反层，所述红外高反射底层为纯金属薄膜，所述光选择性吸收层包括两层NiCrAlY合金含量不同的NiCrAlY-M金属陶瓷薄膜，其中M为AlN或SiAl合金的氮化物，所述减反层为介质膜。

上述涂层中，所述的纯金属薄膜为Au、Cu、Mo、Ni或W薄膜。

上述涂层中，所述红外高反射底层的厚度为150nm-600nm，光选择性吸收层的厚度为60nm-200nm，所述减反层的厚度为50nm-120nm。

上述涂层中，光选择性吸收层为两层NiCrAlY合金含量不同的NiCrAlY-M金属陶瓷薄膜，第一层中，NiCrAlY合金的含量为40～60摩尔%，厚度50nm-120nm，第二层吸收层中，NiCrAlY合金的含量为60～80摩尔%，厚度30nm-80nm。

上述涂层中，所述介质膜为Al的氧化物、Al的氮化物或SiAl合金的氧化物，优选为SiAl合金的氧化物。

上述涂层中，NiCrAlY合金中，Cr的含量为15～25wt%，Al的含量为8%～14wt%，Y的含量为0.5%～1wt%，余量为Ni及偶存成分。

本发明所提到的光选择性吸收层和减反层所用的SiAl合金中，Al的含量为9～21wt%，Si的含量为78～90wt%，余量为偶存成分；减反层为SiAl合金的氧化物时，Al的含量为4～8wt%，Si的含量为38～42wt%，余量为O和偶存成分。

本发明的高温选择性太阳能吸收涂层的制备方法，采用真空磁控溅射技术进行制备，其特征是包括以下步骤：

（1） 沉积红外高反射底层：将基材放入磁控溅射镀膜机中，真空腔室真空度达到高真空后，冲入氩气，用氩离子轰击金属靶表面，使金属原子溅射出来沉积于基材上；

（2） 沉积光选择性吸收层：用氩气与氮气的混合气体轰击NiCrAlY合金靶与M靶，形成第一层NiCrAlY-M金属陶瓷薄膜，达到厚度后进行第二层的溅射，直至厚度达到要求；所述M靶为Al靶或SiAl合金靶；

（3） 沉积减反层：用氩气与氮气或氧气的混合气轰击金属靶，溅射生成介质膜沉积于光选择性吸收层上。

本发明采用NiCrAlY合金作为高温选择性吸收涂层的材料之一，在涂层中均匀形成NiCrAlY-M金属陶瓷膜(M为AlN或SiAl合金的氮化物)，很好的保证了涂层的耐高温性能，在真空中以600℃高温以及空气中以500℃高温加热后涂层性能无衰减。NiCrAlY合金为一种超高温合金，以其溅射的涂层致密，结合强度大，耐腐蚀和气蚀，能耐982oC高温，抗氧化性能优良。用于冶金轧辊、热浸镀浸没辊、热处理炉辊等热工设备表面的耐热涂层，航空发动机叶片、燃气机叶片的耐热涂层以及高温炉风口、防热罩表面热障涂层的粘结过渡层。

本发明采用具有高红外反射能力的金属薄膜构成，所述金属可选自金（Au）、铜（Cu）、钼（Mo）、镍（Ni）或钨（W），所述金属均有很好的耐温性能以及高的红外反射能力，确保涂层在高温状态下有很好的发射比性能，优选性价比较高的铜作为金属层。

本发明采用硅铝合金氧化物（SiAlO）、Al的氧化物（AlO）、Al的氮化物（AlN）作为减反层，优选SiAlO，目前行业内吸收涂层制备一般采用AlN作为减反层，采用SiAlO后，折射率明显低于AlN，同时还能保证高的沉积率。

总体来说，采用本发明的高温太阳能选择性吸收涂层解决了现有涂层不适合在500℃或以上高温下工作的问题，本发明的涂层具有很好的耐高温性能，在真空中以600℃高温以及空气中以500℃高温加热后涂层性能无衰减，除此以外，本涂层还具有很好的红外反射能力和发射比性能，光谱吸收性能好，机械性能强。本发明采用真空磁控溅射技术制备涂层，沉积效果好，整个制备过程易于调控，易于实施。

附图说明

图1为太阳能选择性吸收涂层的膜层结构示意图。

图2为制备本发明所使用的磁控溅射设备的剖面示意图。

图3为实施例1所制备吸收涂层反射比测量曲线。

图4为实施例1所制备涂层在真空中以600℃加热1000小时后的曲线变化。

图5为实施例1所制备涂层在空气中以500℃加热1000小时后的曲线变化。

其中，1、纯金属底层，2、光选择性吸收层，3、减反射层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步阐述，应该明白的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

本发明所用的基材为铜板或不锈钢板，采用磁控溅射镀膜机进行涂层制备，其剖面示意图如图2所示，基材放置于旋转架10上，溅射气体由进气管9进入，制备方法如下： 

首先在基材上沉积纯金属底层，在真空达到要求后，由进气管9中充入适量氩气，开启靶5，用氩离子轰击靶表面，使金属原子溅射出来沉积于基材上；

然后在金属底层上溅射吸收层，由进气管9充入氩气与氮气的混合气体，开启靶6与靶7，两种物质共同沉积于基材上形成镍铬铝钇NiCrAlY合金包含于Al的氮化物或SiAl合金的氮化物介质中的金属陶瓷材料，合金含量通过设置靶电流、电压、氮气分压进行控制，厚度通过溅射时间控制；

最后在吸收层上溅射减反层，由进气管9充入氩气与反应气体组成的混合气体，开启靶材8，金属靶材原子与反应气体反应生成介质物沉积于基材上。

下面通过具体的实施例对本发明高温太阳能选择性吸收涂层的性能及制备方法进行详细阐述。如无特别说明，所用NiCrAlY合金中，Cr的含量为15～25重量%，Al的含量为8%～14重量%，Y的含量为0.5%～1重量%，余量为Ni及偶存成分；所用SiAl合金中，Al的含量为9～21重量%，Si的含量为78～90重量%，余量为偶存成分。

如无特别说明，减反层为SiAl合金的氧化物时， Al的含量为4～8重量%，Si的含量为38～42重量%，余量为O和偶存成分。

实施例1

利用图2的磁控溅射镀膜机溅射Cu/NiCrAlY-AlN/SiAl-O高温太阳能选择性吸收涂层，靶5为Cu靶，靶6为NiCrAlY合金靶，靶7为纯Al靶，靶8为SiAl靶（Al含量为10重量%），制备方法如下：

沉积金属底层：待真空腔室真空度达到要求后，充入40sccm的氩气，使真空室压强在0.4Pa，开启Cu靶，溅射功率为10kW，当厚度达到300nm后停止；

沉积吸收层：通过进气管充入40sccm氩气与48sccm氮气，开启NiCrAlY靶与Al靶，NiCrAlY靶功率为4kW，Al靶功率为6kW，沉积至厚度为74nm时停止，作为第一吸收层；将NiCrAlY靶功率降为2.5kW，氮气减为42sccm，沉积至厚度为39nm时停止，作为第二吸收层；

沉积减反层：冲入30sccm氩气与30sccm氧气，开启SiAl靶功率为6kW，沉积至厚度为76nm时停止，得到本发明高温太阳能选择性吸收涂层。

按上述工艺沉积的涂层利用UV-3600紫外可见近红外分光光度计进行测试在300-2500nm波段内吸收比为0.95，结果见图3，利用红外分光光度计测试2.5-25um波段的红外发射比为0.13（400℃）。

将沉积该涂层后的样片放置于真空中以600℃进行加热1000小时，加热后涂层性能无明显变化，测试吸收比为0.95，结果见图4。

将样片直接放置于空气中以500℃进行加热1000小时，加热后涂层性能无明显变化，测试吸收比为0.95，结果见图5。

实施例2

利用图2的磁控溅射镀膜机溅射Cu/NiCrAlY-AlN/AlN高温太阳能选择性吸收涂层，靶5为Cu靶，靶6为NiCrAlY合金靶，靶7为纯Al靶，制备方法如下：

沉积金属底层：待真空腔室真空度达到要求后，充入40sccm的氩气，使真空室压强在0.4Pa，开启Cu靶，溅射功率为10kW，当厚度达到400nm后停止；

沉积吸收层：通过进气管充入40sccm氩气与47sccm氮气，开启NiCrAlY靶与Al靶，NiCrAlY靶功率为3.8kW，Al靶功率为6kW，沉积至厚度为52nm时停止，作为第一吸收层；将NiCrAlY靶功率降为2.8kW，氮气减为44sccm，沉积至厚度为68nm时停止，作为第二吸收层；

沉积减反层：冲入30sccm氩气与50sccm氮气，开启Al靶功率为6kW，沉积至厚度为100nm时停止，得到本发明高温太阳能选择性吸收涂层。

按上述工艺沉积的涂层利用UV-3600紫外可见近红外分光光度计进行测试在300-2500nm波段内吸收比为0.94，利用红外分光光度计测试2.5-25um波段的红外发射比为0.14（400℃）。

将沉积该涂层后的样片放置于真空中以600℃进行加热以及空气中以500℃加热1000小时后，加热前后涂层性能变化小于3%。

实施例3

利用图2的磁控溅射镀膜机溅射Cu/NiCrAlY-SiAlN/SiAlO高温太阳能选择性吸收涂层，靶5为Cu靶，靶6为NiCrAlY合金靶，靶7为SiAl靶（Al含量为18重量%）制备方法如下：

沉积金属底层：待真空腔室真空度达到要求后，充入40sccm的氩气，使真空室压强在0.4Pa，开启Cu靶，溅射功率为10kW，当厚度达到450nm后停止；

沉积吸收层：通过进气管充入40sccm氩气与54sccm氮气，开启NiCrAlY靶与SiAl靶，NiCrAlY靶功率为4.5kW，SiAl靶功率为6kW，沉积至厚度为90nm时停止，作为第一吸收层；将NiCrAlY靶功率降为3kW，氮气减为47sccm，沉积至厚度为40nm时停止，作为第二吸收层；

沉积减反层：冲入30sccm氩气与30sccm氧气，开启SiAl靶功率为6kW，沉积至厚度为50nm时停止，得到本发明高温太阳能选择性吸收涂层。

按上述工艺沉积的涂层利用UV-3600紫外可见近红外分光光度计进行测试在300-2500nm波段内吸收比为0.95，利用红外分光光度计测试2.5-25um波段的红外发射比为0.14（400℃）。

将沉积该涂层后的样片放置于真空中以600℃进行加热以及空气中以500℃加热1000小时后，加热前后涂层性能变化小于5%。

实施例4

利用图2的磁控溅射镀膜机溅射Mo/NiCrAlY-AlN/SiAl-O高温太阳能选择性吸收涂层，靶5为Mo靶，靶6为NiCrAlY合金靶，靶7为纯Al靶，靶8为SiAl靶（Al含量为10重量%），制备方法如下：

沉积金属底层：待真空腔室真空度达到要求后，充入40sccm的氩气，使真空室压强在0.4Pa，开启Mo靶，溅射功率为10kW，当厚度达到500nm后停止；

沉积吸收层：通过进气管充入40sccm氩气与47sccm氮气，开启NiCrAlY靶与Al靶，NiCrAlY靶功率为3.8kW，Al靶功率为6kW，沉积至厚度为100nm时停止，作为第一吸收层；将NiCrAlY靶功率降为2.4kW，氮气减为44sccm，沉积至厚度为35nm时停止，作为第二吸收层；

沉积减反层：冲入30sccm氩气与30sccm氧气，开启SiAl靶功率为6kW，沉积至厚度为70nm时停止，得到本发明高温太阳能选择性吸收涂层。

按上述工艺沉积的涂层利用UV-3600紫外可见近红外分光光度计进行测试在300-2500nm波段内吸收比为0.94，利用红外分光光度计测试2.5-25um波段的红外发射比为0.15（400℃）。

将沉积该涂层后的样片放置于真空中以700℃进行加热以及空气中以600℃加热1000小时后，加热前后涂层性能变化小于3%。

实施例5

按照实施例1的工艺条件及工艺步骤制备高温太阳能选择性吸收涂层，不同的是所用金属底层为W，厚度为150nm，减反层为铝的氧化物，厚度为120nm，所得涂层为：W/NiCrAlY-AlN/Al₂O₃，将该涂层利用UV-3600紫外可见近红外分光光度计进行测试在300-2500nm波段内吸收比为0.94，利用红外分光光度计测试2.5-25um波段的红外发射比为0.16（400℃）。

将沉积该涂层后的样片放置于真空中以700℃进行加热以及空气中以600℃加热1000小时后，加热前后涂层性能变化小于3%。

实施例6

按照实施例2的工艺条件及工艺步骤制备高温太阳能选择性吸收涂层，不同的是所用金属底层为Au，厚度为600nm，所得涂层为：Au/NiCrAlY-AlN/AlN，将该涂层利用UV-3600紫外可见近红外分光光度计进行测试在300-2500nm波段内吸收比为0.94，利用红外分光光度计测试2.5-25um波段的红外发射比为0.12（400℃）。

将沉积该涂层后的样片放置于真空中以700℃进行加热以及空气中以600℃加热1000小时后，加热前后涂层性能变化小于3%。

实施例7

按照实施例3的工艺条件及工艺步骤制备高温太阳能选择性吸收涂层，不同的是沉积吸收层的沉积过程为：通过进气管充入40sccm氩气与54sccm氮气，开启NiCrAlY靶与SiAl靶，NiCrAlY靶功率为4.2kW，SiAl靶功率为6kW，沉积至厚度为60nm时停止，作为第一吸收层；将NiCrAlY靶功率降为3kW，氮气减为47sccm，沉积至厚度为80nm时停止，作为第二吸收层；所得涂层为：Cu/NiCrAlY-SiAlN/SiAlO，将该涂层利用UV-3600紫外可见近红外分光光度计进行测试在300-2500nm波段内吸收比为0.94，利用红外分光光度计测试2.5-25um波段的红外发射比为0.14（400℃）。

将沉积该涂层后的样片放置于真空中以600℃进行加热以及空气中以500℃加热1000小时后，加热前后涂层性能变化小于5%。

实施例8

按照实施例4的工艺条件及工艺步骤制备高温太阳能选择性吸收涂层，不同的是沉积吸收层的沉积过程为：通过进气管充入40sccm氩气与47sccm氮气，开启NiCrAlY靶与Al靶，NiCrAlY靶功率为3.8kW，Al靶功率为6kW，沉积至厚度为120nm时停止，作为第一吸收层；将NiCrAlY靶功率降为2.4kW，氮气减为44sccm，沉积至厚度为30nm时停止，作为第二吸收层；所得涂层利用UV-3600紫外可见近红外分光光度计进行测试在300-2500nm波段内吸收比为0.93，利用红外分光光度计测试2.5-25um波段的红外发射比为0.15（400℃）。

将沉积该涂层后的样片放置于真空中以700℃进行加热以及空气中以600℃加热1000小时后，加热前后涂层性能变化小于3%。

实施例9

按照实施例1的工艺条件及工艺步骤制备高温太阳能选择性吸收涂层，不同的是沉积吸收层的沉积过程为：通过进气管充入40sccm氩气与48sccm氮气，开启NiCrAlY靶与Al靶，NiCrAlY靶功率为4kW，Al靶功率为6kW，沉积至厚度为50nm时停止，作为第一吸收层；将NiCrAlY靶功率降为2.5kW，氮气减为42sccm，沉积至厚度为30nm时停止，作为第二吸收层；所得涂层利用UV-3600紫外可见近红外分光光度计进行测试在300-2500nm波段内吸收比为0.93，利用红外分光光度计测试2.5-25um波段的红外发射比为0.13（400℃）。

将沉积该涂层后的样片放置于真空中以600℃进行加热以及空气中以500℃加热1000小时后，加热前后涂层性能变化小于3%。

实施例10

按照实施例3的工艺条件及工艺步骤制备高温太阳能选择性吸收涂层，不同的是沉积吸收层的沉积过程为：通过进气管充入40sccm氩气与54sccm氮气，开启NiCrAlY靶与SiAl靶，NiCrAlY靶功率为4.5kW，SiAl靶功率为6kW，沉积至厚度为120nm时停止，作为第一吸收层；将NiCrAlY靶功率降为3kW，氮气减为47sccm，沉积至厚度为80nm时停止，作为第二吸收层；所得涂层利用UV-3600紫外可见近红外分光光度计进行测试在300-2500nm波段内吸收比为0.93，利用红外分光光度计测试2.5-25um波段的红外发射比为0.16（400℃）。

将沉积该涂层后的样片放置于真空中以600℃进行加热以及空气中以500℃加热1000小时后，加热前后涂层性能变化小于5%。

实施例11

按照实施例1的工艺条件及工艺步骤制备高温太阳能选择性吸收涂层，不同的是所用金属底层为Ni，厚度为200nm，所得涂层为：Ni/NiCrAlY-AlN/SiAl-O，将该涂层利用UV-3600紫外可见近红外分光光度计进行测试在300-2500nm波段内吸收比为0.95，利用红外分光光度计测试2.5-25um波段的红外发射比为0.15（400℃）。

将沉积该涂层后的样片放置于真空中以700℃进行加热以及空气中以600℃加热1000小时后，加热前后涂层性能变化小于3%。

Claims (9)

1.一种高温选择性太阳能吸收涂层，其特征是：由下到上依次为红外高反射底层、光选择性吸收层和减反层，所述红外高反射底层为纯金属薄膜，所述光选择性吸收层包括两层NiCrAlY合金含量不同的NiCrAlY-M金属陶瓷薄膜，其中M为AlN或SiAl合金的氮化物，所述减反层为介质膜。

2.根据权利要求1所述的涂层，其特征是：纯金属薄膜为Au、Cu、Mo、Ni或W薄膜。

3.根据权利要求1所述的涂层，其特征是：所述红外高反射底层的厚度为150nm-600nm，光选择性吸收层的厚度为60nm-200nm，所述减反层的厚度为50nm-120nm。

4.根据权利要求1所述的涂层，其特征是：光选择性吸收层为两层NiCrAlY合金含量不同的NiCrAlY-M金属陶瓷薄膜，第一层中，NiCrAlY合金的含量为40～60摩尔%，厚度50nm-120nm，第二层吸收层中，NiCrAlY合金的含量为60～80摩尔%，厚度30nm-80nm。

5.根据权利要求1所述的涂层，其特征是： 所述介质膜为Al的氧化物、Al的氮化物或SiAl合金的氧化物。

6.根据权利要求5所述的涂层，其特征是：所述介质膜为SiAl合金的氧化物。

7.根据权利要求1所述的涂层，其特征是：NiCrAlY合金中，Cr的含量为15～25重量%，Al的含量为8%～14重量%，Y的含量为0.5%～1重量%，余量为Ni及偶存成分。

8.根据权利要求5所述的涂层，其特征是：光选择性吸收层和减反层所用的SiAl合金中，Al的含量为9～21wt%，Si的含量为78～90wt%，余量为偶存成分；减反层为SiAl合金的氧化物时，Al的含量为4～8 wt%，Si的含量为38～42 wt%，余量为O和偶存成分。

9.一种权利要求1所述的高温选择性太阳能吸收涂层的制备方法，采用真空磁控溅射技术进行制备，其特征是包括以下步骤：

（1）沉积红外高反射底层：将基材放入磁控溅射镀膜机中，真空腔室真空度达到高真空后，冲入氩气，用氩离子轰击金属靶表面，使金属原子溅射出来沉积于基材上；

（2）沉积光选择性吸收层：用氩气与氮气的混合气体轰击NiCrAlY合金靶与M靶，形成第一层NiCrAlY-M金属陶瓷薄膜，达到厚度后进行第二层的溅射，直至厚度达到要求；所述M靶为Al靶或SiAl合金靶；

（3）沉积减反层：用氩气与氮气或氧气的混合气轰击金属靶，溅射生成介质膜沉积于光选择性吸收层上。

Images