CN102501461A

CN102501461A - 一种柔性金属基底高吸热型金属陶瓷复合膜

Info

Publication number: CN102501461A
Application number: CN2011103547149A
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: 2012-06-20

Abstract

本发明公开了一种柔性金属基底高吸热型金属陶瓷复合膜，属于表面工程技术领域。所述复合膜由柔性金属基底向复合膜表面依次包含反射层、吸收层和减反层，所述吸收层为M-Al₂O₃金属陶瓷膜层，其中掺杂的金属M微粒在被掺杂介质Al₂O₃中从内到外含量逐渐递减，并呈梯度分布由此使整个复合膜具备高效吸热特性。本发明具有吸热率高、红外发射率低不易分解等特点，在太阳能热利用领域具有广阔的应用前景。

Description

一种柔性金属基底高吸热型金属陶瓷复合膜

技术领域

本发明涉及一种柔性金属基底高吸热型金属陶瓷复合膜，属于表面工程技术领域。

背景技术

在柔性金属基底上镀制多层膜构成的高吸热型金属陶瓷复合膜是一种太阳能选择性吸收材料，具有高吸收发射比和高效吸热的特点，在太阳能热利用等领域具有广阔的应用前景。但目前，太阳能选择吸收膜的吸收层均为多层结构，需要多次镀制，其工艺复杂。经查证，太阳能选择吸收膜的吸收层为一次连续卷绕镀制且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，在国内外专利中均未有记载。

发明内容

本发明提供一种柔性金属基底高吸热型金属陶瓷复合膜，该复合膜的吸收层为一层且其中的金属微粒体积分数在介质中呈连续梯度分布。

本发明的技术方案如下：一种柔性金属基底高吸热型金属陶瓷复合膜，由柔性金属基底向复合膜表面依次包含反射层、吸收层和减反层，所述吸收层为M-Al₂O₃金属陶瓷膜层，其中掺杂的金属M微粒在被掺杂介质Al₂O₃中从内到外含量逐渐递减，并呈梯度分布；所述M为金属Mo、Mn、Al、Au、Pt、Cu或SS。

所述反射层为金属Al膜层。

所述减反层Al₂O₃膜层。

本发明结构设计的原理如下：

由于金属陶瓷复合膜金属微粒体积分数过高会引起发射率升高，为了获得高吸收发射比的金属陶瓷复合膜，在薄膜材料吸收系数较低即体积分数较低的情况下，应尽量利用干涉效应。为了增强干涉效果，应选择对太阳光谱的反射率高的金属作为反射层材料。反射膜的反射系数越高，金属陶瓷复合膜中由于干涉作用吸收能量所占的比率越大。金属反射层材料可选用Ag或Al，其中Ag对太阳光谱的反射率较高，但由于Ag易氧化，会影响制备出的薄膜的光学性能。而Al对太阳光谱的反射率也较高，且Al在大气中的稳定性比Ag好，因此选用Al作为反射层材料。

在金属Al膜上沉积一层有适当光学常数的金属陶瓷膜层能够得到较高的吸收率和接近金属底层的发射率。通过调节金属陶瓷膜厚度，可在一定范围内得到所要求的太阳吸收率。根据选择性吸收的原理，选择M金属微粒分散于Al₂O₃薄膜，这就改变了介质Al₂O₃薄膜的折射率n、消光系数k的值，得到金属陶瓷膜材料，它作为吸收薄膜。通过在高反射Al金属膜上镀制具有一定厚度和体积分数的M-Al₂O₃金属陶瓷膜，使得该材料在可见、近红外波段具有很低的反射率,在红外波段具有很高的反射率，即对可见、近红外光的高吸收性和红外波段低发射性。

所以，本发明具有吸热率高、红外发射率低的特点，在太阳能热利用领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为优化各膜层体积分数后复合膜的模拟光谱反射曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

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Mo、Mn、Al、Au、Pt、Cu或SS；该金属M与Al₂O₃组成的任一梯度M- Al₂O₃金属陶瓷膜层与所述柔性金属基底的任意组合均为本发明所述的复合膜；

参照图1，一种柔性金属基底高吸热型金属陶瓷复合膜，由柔性金属基底1向复合膜表面依次包含反射层、吸收层和减反层，所述反射层为金属Al膜层2；所述吸收层为M-Al₂O₃金属陶瓷膜层3，其中掺杂的金属M微粒在被掺杂介质Al₂O₃中从内到外含量逐渐递减，并呈梯度分布，由此使整个复合膜具备高效吸热特性；所述减反层为Al₂O₃膜层4。所述M为金属Mo、Mn、Al、Au、Pt、Cu或SS。

设定所要制备出的柔性金属基底高吸热型金属陶瓷复合膜的光学目标为太阳吸收率大于等于0.9，发射率小于等于0.1。

为了实现此目标，通过光学计算结合光学设计软件来优化各膜层的厚度，得出金属陶瓷复合膜光谱反射率曲线，利用此曲线通过热学公式计算出太阳吸收率和半球发射率，如果计算结果满足事先的设定，那各膜层的厚度为可参考的厚度；由于各膜层的厚度组合结果有可能为几种方案，需结合现有的镀膜设备和工艺，找出切实可行的一组各膜层厚度组合作为实际镀膜工艺参考。

首先，利用TFcale光学设计软件带入初步确定的各个膜层的厚度值，并假定各膜层的体积分数，构建模型程序需要两个随波长变化的光学参数，即，折射率n和消光系数k之后，对各膜层的厚度进行优化，得到理论计算的波长250nm到20mm范围内整个膜系的反射率曲线，如图2所示。通过优化各膜层厚度结果可知，金属陶瓷膜层体积分数是由内层向多层膜表面逐渐减小。根据光谱反射曲线，利用数值计算的方法算出薄膜的半球发射率e（T）和太阳吸收率as是否满足设计指标要求。如果计算结果满足事先的设定，则该计算出的各膜层的厚度作为制备时的参考厚度。因为各膜层的厚度组合结果有可能为几种方案，需结合现有的镀膜设备即工艺水平、条件，找出符合实际的最优各膜层厚度组合作为实际制备时的选用数据。

其中，太阳吸收率as计算公式为：

is为太阳辐射强度。

半球发射率e（T）计算公式为：

为材料的普朗克黑体辐射本领。

=(2phc2/l5)(ehc/kTl-1)-1，由于整个柔性基底金属陶瓷复合膜结构中薄膜的总透过率可以忽略，所以

e(l)=a(l)=1-R(l)，上式改写成：

其中，R(λ)为膜系的光谱反射率。

本发明的制备方法如下：

1、对柔性金属基底通过辉光等离子体进行清洗活化；

2、在通过步骤一处理的柔性金属基底上，镀制金属反射Al膜层；

3、在镀制好的金属反射Al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，得到M-Al₂O₃金属陶瓷膜层；所述金属M为Mo、Mn、Al、Au、Pt、Cu或SS；

4、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。

Claims

1.一种柔性金属基底高吸热型金属陶瓷复合膜，由柔性金属基底向复合膜表面依次包含反射层、吸收层和减反层，其特征在于：所述吸收层为M-Al₂O₃金属陶瓷膜层，其中掺杂的金属M微粒在被掺杂介质Al₂O₃中从内到外含量逐渐递减，并呈梯度分布；所述M为金属Mo、Mn、Al、Au、Pt、Cu或SS。

2.如权利要求1所述的金属陶瓷复合膜，其特征在于：所述反射层为金属Al膜层。

3.如权利要求1所述的金属陶瓷复合膜，其特征在于：所述减反层为Al₂O₃膜层。