CN102358937A

CN102358937A - 大面积柔性金属基底高吸热金属陶瓷复合膜连续制备方法

Info

Publication number: CN102358937A
Application number: CN2011103547168A
Authority: CN
Inventors: 赵慨; 冯煜东; 王艺; 王志民; 速小梅
Original assignee: 510 Research Institute of 5th Academy of CASC
Current assignee: 510 Research Institute of 5th Academy of CASC
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2012-02-22

Abstract

一种大面积柔性金属基底高吸热金属陶瓷复合膜连续制备方法是：对柔性金属基底通过辉光等离子体进行清洗活化后镀制金属反射膜层；在镀制好的金属反射膜层上，连续镀制梯度M-Al₂O₃金属陶瓷膜层；在所述M-Al₂O₃金属陶瓷膜层之上，镀制减反层Al₂O₃膜作为外层膜。本发明采用双靶共溅射的工艺实现了太阳能选择吸收膜的吸收层为一层且一次连续卷绕镀制而成的方法，并且其中的金属微粒体积分数在介质中呈连续梯度分布而形成一种新的金属陶瓷复合膜。该金属陶瓷复合膜具有高吸收发射比和高效吸热的性能。

Description

大面积柔性金属基底高吸热金属陶瓷复合膜连续制备方法

技术领域

本发明涉及一种大面积柔性金属基底高效吸热型金属陶瓷复合膜连续制备方法，尤其涉及金属陶瓷复合膜中吸收层的一次连续制备方法，属于表面工程技术领域。

背景技术

太阳能选择性吸收膜，具有高的吸收发射比，可以提高太阳能光热转换效率。柔性金属基底上的金属陶瓷复合膜，是一种太阳能选择性吸收膜，它高效吸热，在太阳能热利用等领域具有广阔的应用前景。但目前，国内太阳能选择性吸收膜采用电镀、磁控溅射等方法制备，电镀法镀制的产品性能不及磁控溅射镀制的太阳能选择吸收膜，且会产生电镀费液污染。而国内的磁控溅射生产线为国外引进，生产的太阳能选择吸收膜的吸收层为多层结构，需要多次镀制，工艺复杂。经查证，太阳能选择吸收膜的吸收层为一次连续卷绕镀制并使其中的金属微粒体积分数在介质中呈连续梯度分布的金属陶瓷吸收膜层的方法，在国内外专利中均未有记载。

发明内容

本发明提供一种大面积柔性金属基底高效吸热金属陶瓷复合膜连续制备方法，使所述金属陶瓷复合膜中的金属陶瓷吸收膜层可一次连续卷绕镀制而成，而且其中的金属微粒体积分数在介质中呈连续梯度分布。

为此，采用如下技术方案实现：一种大面积柔性金属基底高吸热金属陶瓷复合膜连续制备方法，具体步骤如下：

步骤一、对柔性金属基底进行清洗活化；

步骤二、在通过步骤一处理的柔性金属基底上，镀制金属反射膜层；

步骤三、在镀制好的金属反射膜层上，一次连续镀制梯度M-Al₂O₃金属陶瓷膜层；在镀制过程中，设置金属M靶和Al靶，采用双靶共溅射的形式，采用直流磁控溅射方式进行金属M的镀制；采用脉冲反应磁控溅射方式镀制Al₂O₃；溅射用气体为氩气，反应气体为氧气；氩气通至金属M靶面，氧气通至金属Al靶面；柔性金属基底卷绕走带先通过金属M靶，再通过Al靶，使金属M粒子在Al₂O₃介质基体中的含量从金属陶瓷与金属分界面向金属陶瓷表面呈梯度减少；所述金属M为Mo、Mn、Al、Au、Pt、Cu或SS；

步骤四、在所述M-Al₂O₃金属陶瓷膜层之上，镀制减反层Al₂O₃膜作为外层膜。

本发明采用双靶共溅射的工艺实现了太阳能选择吸收膜的吸收层为一层且一次连续卷绕镀制而成的方法，并且其中的金属微粒体积分数在介质中呈连续梯度分布而形成一种新的金属陶瓷复合膜。该金属陶瓷复合膜具有高吸收发射比和高效吸热的性能。

本发明的膜层参数可控制，并首次实现了航天器用柔性高效吸热型热控薄膜产品化。

附图说明

图1为本发明金属陶瓷复合膜的结构示意图；

图2为本发明镀膜装置示意图。

具体实施方式

下面对本发明的优选实施方式作进一步详细说明。

本发明所述柔性金属基底包括铜、铝、不锈钢等材料，所述金属M为金属Mo、Mn、Al、Au、Pt、Cu或SS，该金属M与Al₂O₃组成的任一M- Al₂O₃膜层与所述柔性金属基底的任意组合均可以采用本发明的方法达到同样的效果；但本实施例仅以大面积制备柔性铝基底高效吸热型Mo- Al₂O₃金属陶瓷复合膜为例。

本实施例的制备过程是在真空室中的0.5m幅宽的磁控卷绕镀膜装置上进行的，如图2所示，该装置包括放卷辊1，过渡辊3，档板4，镀膜辊5，收卷辊6，金属Mo靶7、金属Al靶8以及辉光源9。将柔性铝基底2一端卷绕在磁控卷绕镀膜设备的放卷辊1上后再依次经过过渡辊3及镀膜辊5，最后卷绕在收卷辊6上。

本实施例中的柔性铝基底高效吸热型Mo- Al₂O₃金属陶瓷复合膜，是由柔性铝基底13、底层高反射Al金属层12、作为吸收层的梯度Mo- Al₂O₃金属陶瓷膜层11、作为减反层的Al₂O₃介质层10构成的复合膜组成，如图1所示；该复合膜是一种太阳能选择性吸收薄膜，它高效吸热，红外发射率低。

大面积柔性铝基底高吸热Mo- Al₂O₃金属陶瓷复合膜连续制备方法，具体步骤为:

步骤一、对0.1～0.5mm厚的柔性铝基底通过辉光等离子体进行清洗活化提高镀制膜层的附着力；具体：将0.1～0.5mm厚的铝基底卷绕在磁控卷绕镀膜装置上，磁控卷绕镀膜装置走带张力为1～1.5N，辉光源和镀膜辊间的距离为10cm，镀膜辊温度保持在15～20℃。清洗活化时，将真空室本底真空抽至3x10^-3Pa，通入纯度99.99%的氩气，氩气流量为10～15sccm，使真空室真空度为2x10^-1～3x10^-1Pa。此时，在辉光源与真空室之间加电压，Al靶和Mo靶不加电压。调节电源电压为250～350V、电流为1～3A和功率为300～900W，收卷辊线速度保持在3～10mm/s，进行清洗活化。

步骤二、在经清洗活化后的铝基底上，采用直流磁控溅射方式镀制具有高反射低发射特性的金属反射膜层即Al膜层作底层膜，增强干涉吸收的效果。

先将真空室抽真空至3x10^-3Pa，调节纯度为99.99%的氩气流量为10～15sccm，使真空室真空度为2x10^-1～3x10^-1Pa。

对所述金属Al靶加电压，金属Mo靶和辉光源不加电压；镀制时基底走带速度为20～30cm/min，走带张力为1～1.5N，工作气体为纯度99.99%的氩气，溅射气体压强为3x10^-1Pa，溅射靶材为纯度为99.99%的Al靶，溅射功率为1000W。

步骤三、在镀制好的Al膜层之上，连续镀制梯度Mo-Al₂O₃金属陶瓷膜层。

在镀制过程中，设置金属Mo靶和Al靶，采用双靶共溅射的形式，所述金属Mo靶和Al靶两靶与镀膜辊的距离均为10cm，金属Mo靶面与镀膜辊平行；溅射用气体为纯度99.99%的氩气，反应气体为纯度99.99%的氧气；氩气通至金属M靶面，氧气通至金属Al靶面；镀膜时基底先通过金属Mo靶，再通过Al靶，走带张力控制为3～6N，卷绕辊线速度为4～10cm/min，使金属Mo粒子在Al₂O₃介质基体中的含量从金属陶瓷与金属分界面向金属陶瓷表面呈梯度减少；得到M-Al₂O₃金属陶瓷膜层；

工艺条件为：将真空室本底真空抽至3x10^-3Pa，调节氩气流量为8～15sccm，氧气流量为4～8sccm，使真空室真空度保持为3×10^-1～5×10^-1Pa；不对柔性铝基底加热，使其处于自然温升状态；

此时，对金属Mo靶和Al靶加电压，辉光源不加电压；

应用直流磁控溅射进行金属Mo的镀制：溅射采用纯度为99.99%金属Mo靶，金属Mo靶为5600mm x 80mm的长条形；调节金属Mo靶和柔性金属基底之间的距离为10cm；打开溅射电源，电压施加在金属Mo靶和真空室之间，待起辉后调节电源电压为200～400V，电流为1～2A，功率为200～800W；

应用脉冲反应磁控溅射镀制Al2O3：溅射采用纯度为99.99%金属Al靶，金属Al靶为5600mm x 80mm的长条形，调节Al靶和柔性金属基底之间的距离为100mm；打开溅射电源，电压施加在金属Al靶和真空室之间，待起辉后调节电源电压为200～400V，电流为2～4A，功率为500～1500W，溅射脉冲频率5～20KHz。

调节和控制走带速度，分别控制两个靶的功率，镀制出的Mo- Al₂O₃金属陶瓷膜的厚度和体积分数可以调节。

步骤四、在Mo-Al₂O₃金属陶瓷膜层之上，镀制具有减反射作用的Al₂O₃膜，起到降低薄膜的镜反射光能损失，增强选择性吸收效果的作用。

将真空室本底真空抽至3x10^-3Pa；调节纯度为99.99%的氩气流量为6～10sccm，纯度为99.99%的氧气流量为4～6sccm，使真空室真空度为3×10^-1～5×10^-1Pa；此时，对Al靶加电压，金属Mo靶和辉光源不加电压，调节电源电压为200～400V，电流为1.5～2.5A，功率为500～900W，溅射脉冲频率5～20KHz；

上述过程中，走带张力控制在3～6N，卷绕辊线速度为8～14cm/min。

Claims

1.大面积柔性金属基底高吸热金属陶瓷复合膜连续制备方法，其特征在于：

具体步骤如下：

步骤一、对柔性金属基底进行清洗活化；

步骤三、在镀制好的金属反射膜层上，连续镀制梯度M-Al₂O₃金属陶瓷膜层；在镀制过程中，设置金属M靶和Al靶，采用双靶共溅射的形式，采用直流磁控溅射方式进行金属M的镀制；采用脉冲反应磁控溅射方式镀制Al₂O₃；溅射用气体为氩气，反应气体为氧气；氩气通至金属M靶面，氧气通至金属Al靶面；柔性金属基底卷绕走带先通过金属M靶，再通过Al靶，使金属M粒子在Al₂O₃介质基体中的含量从金属陶瓷与金属分界面向金属陶瓷表面呈梯度减少；所述金属M为金属Mo、Mn、Al、Au、Pt、Cu或SS；

2.如权利要求1所述的连续制备方法，其特征在于：所述清洗活化采用辉光等离子体活化工艺，对柔性金属基底通过辉光等离子体进行清洗活化时，将柔性金属基底卷绕在磁控卷绕镀膜装置上，磁控卷绕镀膜装置走带张力为1～1.5N，辉光源和镀膜辊间的距离为10cm，镀膜辊温度保持在15～20℃；清洗活化时，将真空室本底真空抽至3x10^-3Pa，通入氩气的流量为10～15sccm，使真空室真空度为2x10^-1～3x10^-1Pa；

此时，在辉光源与真空室之间加电压，所述Al靶和金属M靶不加电压；调节电源电压为250～350V、电流为1～3A和功率为300～900W，收卷辊线速度保持在3～10mm/s，进行清洗活化。

3.如权利要求1所述的连续制备方法，其特征在于：采用直流磁控溅射方法在活化后的柔性金属基底上镀制所述金属反射膜层，先将真空室抽真空至3x10^-3Pa，调节氩气流量为10～15sccm，使真空室真空度为2x10^-1～3x10^-1Pa；

对所述金属Al靶加电压，所述金属M靶和辉光源不加电压；镀制时，基底走带速度为20～30cm/min，走带张力为1～1.5N，工作气体为氩气，溅射气体压强为3x10^-1Pa，溅射靶材为Al靶，溅射功率为1000W。

4.如权利要求1所述的连续制备方法，其特征在于：所述连续镀制梯度M-Al₂O₃金属陶瓷膜层时，所述金属M靶和Al靶两靶与镀膜辊的距离均为10cm，金属M靶面与镀膜辊平行；溅射用气体为氩气，反应气体为氧气；氩气通至金属M靶面，氧气通至金属Al靶面；镀膜时基底先通过金属M靶，再通过Al靶，走带张力控制为3～6N，收卷辊线速度为4～10cm/min，使金属M粒子在Al₂O₃介质基体中的含量从金属陶瓷与金属分界面向金属陶瓷表面呈梯度减少；

工艺条件为：将真空室本底真空抽至3x10^-3Pa，调节氩气流量为8～15sccm，氧气流量为4～8sccm，使真空室真空度保持为3×10^-1～5×10^-1Pa；不对柔性金属基底加热，使其处于自然温升状态；

此时，对金属M靶和Al靶加电压，辉光源不加电压；

应用直流磁控溅射进行金属M的镀制：调节金属M靶和柔性金属基底之间的距离为10cm；打开溅射电源，电压施加在金属M靶和真空室之间，待起辉后调节电源电压为200～400V，电流为1～2A，功率为200～800W；

应用脉冲反应磁控溅射镀制Al₂O₃：调节Al靶和柔性金属基底之间的距离为10cm；打开溅射电源，电压施加在金属Al靶和真空室之间，待起辉后调节电源电压为200～400V，电流为2～4A，功率为500～1500W，溅射脉冲频率5～20KHz。

5.如权利要求1所述的连续制备方法，其特征在于：镀制所述减反层Al₂O₃膜时，将真空室本底真空抽至3x10^-3Pa；调节氩气流量为6～10sccm，氧气流量为4～6sccm，使真空室真空度为3×10^-1～5×10^-1Pa；此时，对Al靶加电压，金属M靶和辉光源不加电压，调节电源电压为200～400V，电流为1.5～2.5A，功率为500～900W，溅射脉冲频率5～20KHz；

上述过程中，走带张力控制在3～6N，收卷辊线速度为8～14cm/min。