CN102954611B - 中高温光谱选择性吸收涂层 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光谱选择性吸收涂层领域，特别涉及一种中高温光谱选择性吸收涂层。该中高温光谱选择性吸收涂层包括五层膜，由内而外依次是基底粘结层、红外反射层、钝化层、第一吸收层、第二吸收层和光学减反射层，所述第一吸收层和所述第二吸收层均为金属陶瓷复合膜，并且所述第一吸收层中金属组分所占的体积百分比大于所述第二吸收层中金属组分所占的体积百分比。本发明提供的中高温光谱选择性吸收涂层，可在中高温环境下工作，其光热转化率高，热稳定性好、工作温度高且吸收发射比高。
Description
技术领域
本发明涉及一种光谱选择性吸收涂层领域，特别涉及一种中高温光谱选择性吸收涂层。
背景技术
近年来，随着能源问题的日渐尖锐，太阳能光热利用行业获得了空前的发展。在太阳能光热利用中，光谱选择性吸收涂层一直是国内外感兴趣的研究课题，目前研究主要集中在如何提高光热转换效率和涂层热稳定性上。目前国内外制备该种涂层主要依靠多靶磁控溅射镀膜技术，这是因为磁控溅射技术镀制的薄膜具有纳米结构可控、颗粒均匀等优点，大大提高了成膜质量和薄膜性能。但是磁控溅射过程是一个复杂的物理气象沉积过程，环境和设备的微小改变都会影响成膜质量，主要影响表现为涂层热稳定性差，工作温度受限。改变这一现象的途径有两个，一是选用更加耐温的材料作为靶材，二是增加涂层的层间结合力。随着太阳能光热利用技术的发展，对光谱选择性吸收涂层的工作温度要求越来越高，而目前的经典涂层已经不能满足发展需要。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种中高温光谱选择性吸收涂层，以克服现有的涂层热稳定性差，不能满足在中高温条件下工作的缺陷。
（二）技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种中高温光谱选择性吸收涂层，包括五层膜，由内而外依次是基底粘结层、红外反射层、钝化层、第一吸收层、第二吸收层和光学减反射层，所述第一吸收层和所述第二吸收层均为金属陶瓷复合膜，并且所述第一吸收层中金属组分所占的体积百分比大于所述第二吸收层中金属组分所占的体积百分比。
进一步地，所述中高温光谱选择性吸收涂层采用Cu、Al、SS和Si四靶磁控溅射镀膜系统制备。
进一步地，所述基底粘结层是由不锈钢、Mo和Cr中的一种或几种混合而成的。
进一步地，所述红外反射层为金属Cu、Ag或Al。
进一步地，所述钝化层的材料为Al2O3、Si3N4或AlN。
进一步地，所述第一吸收层中金属组分的体积比为25%~30%。
进一步地，所述第二吸收层中金属组分的体积比为13%~16%。
进一步地，所述基底粘结层的厚度为50nm~100nm，所述红外反射层的厚度为70nm~100nm，所述钝化层的厚度为20nm~50nm，所述第一吸收层的厚度为100nm~150nm，所述第二吸收层的厚度为50nm~70nm，所述光学减反射层的厚度为50nm~70nm。
（三）有益效果
本发明提供的中高温光谱选择性吸收涂层，可在中高温环境下工作，其光热转化率高，热稳定性好、工作温度高（>500℃）并且吸收发射比高。
附图说明
图1是本发明实施例中高温光谱选择性吸收涂层的结构示意图；
图2是本发明实施例中高温光谱选择性吸收涂层用在不锈钢基底上的结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1、图2所示，本实施例提供的中高温光谱选择性吸收涂层，包括五层薄膜，由内而外依次是基底粘结层、红外反射层、钝化层、第一吸收层、第二吸收层和光学减反射层。本发明提供的中高温光谱选择性吸收涂层，可在中高温环境下工作，其光热转化率高，热稳定性好、工作温度高（>500℃）、吸收发射比高（具有较高的紫外-可见-近红外光吸收率和较低的红外发射率）。
其中，基底粘结层为热膨胀系数低的金属或合金，如不锈钢、金属Mo、Cr等，其与红外反射层复合后能将本发明所述的中高温光谱选择性吸收涂层与基底牢固的固定在一起，而不会从基底上脱落下来。采用热膨胀系数很小的Mo作为红外反射层Cu与不锈钢基底间的粘结层，能够缩小了不锈钢基底与Cu金属层间的热膨胀系数差异，降低了高温工作温度下薄膜力学损伤的风险，增加了膜层与基底间的结合力，使得该中高温光谱选择性吸收涂层的热稳定性好，能在较高的温度下工作。
其中，红外反射层为金属Cu、Ag或Al，也可采用其他具有相同性能的材料。一般情况下，使用金属Cu，不仅价格低廉，而且效果好。由于铜的红外发射率仅为0.03左右，可以有效降低高温基底的辐射损耗，从而提高集热器效率。
其中，钝化层的材料为Al2O3、Si3N4或AlN。钝化层的作用有两个，一是提高了涂层的层间结合力，使该中高温光谱选择性吸收涂层具有较高的力学性能；二是可以防止红外反射层金属原子的氧化及热扩散，提高涂层热稳定性，提高工作温度，降低红外发射率。
其中，第一吸收层和第二吸收层均是金属陶瓷复合薄膜，其中的金属组分为不锈钢，如采用304不锈钢，陶瓷组分选用AlN。第一吸收层中金属组分所占的体积百分比大于第二吸收层中金属组分所占的体积百分比，第一吸收层和第二吸收层干涉复合成双层金属陶瓷复合薄膜。优选第一吸收层和第二吸收层中金属组分的体积比分别为25%~30%和13%~16%。该中高温光谱选择性吸收涂层利用干涉吸收原理对紫外-可见-近红外光吸收率α≥0.95，同时红外发射率ε≤0.08（80℃），提高了该涂层的光热转化效率。
其中，光学减反射层采用较硬、机械强度高且耐高温的材料制成。采用热稳定性好的Si3N4作为光学减反射层，进一步提高了涂层的光热转化效率，热稳定性测试表明该涂层在大气气氛下经过550℃烘烤4小时后，外观和性能均无明显变化。
其中，该中高温光谱选择性吸收涂层采用4靶（Cu、Al、SS、Si）磁控溅射镀膜系统制备。
其中，各层厚度分别为：基底粘结层50nm~100nm；红外反射层70nm～100nm，钝化层20nm~50nm；第一吸收层100nm～150nm；第二吸收层50nm~70nm；光学减反射层50nm~70nm。以上所述各层的厚度可以相同或不同。
本发明提供的中高温光谱选择性吸收涂层，具有以下优点：
（1）采用热膨胀系数小得多的Mo作为红外反射层与不锈钢基底间的粘结层，缩小了不锈钢基底与红外反射层间的热膨胀系数差异，降低了高温工作温度下薄膜力学损伤的风险，增加了膜层与基底间的结合力。
（2）第一吸收层和第二吸收层中金属组分采用304不锈钢，陶瓷组分选用AlN，第一吸收层、第二吸收层中的金属组分的体积比分别为25%~30%和13%~16%，使得薄膜利用干涉吸收原理对紫外-可见-近红外光吸收率α≥0.95，同时红外发射率ε≤0.08（80℃）。
（3）采用热稳定性好的Si3N4作为光学减反射层，进一步提高了涂层的光热转化效率，热稳定性测试表明该涂层在大气气氛下经过550℃烘烤4小时后，外观和性能均无明显变化。
（4）在金属反射层和吸收层之间增加Al2O3作为粘结层，进一步增加了涂层的层间结合力，同时提高了力学性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种中高温光谱选择性吸收涂层，其特征在于，包括五层膜，由内而外依次是基底粘结层、红外反射层、钝化层、第一吸收层、第二吸收层和光学减反射层，所述第一吸收层和所述第二吸收层均为金属陶瓷复合膜，并且所述第一吸收层中金属组分所占的体积百分比大于所述第二吸收层中金属组分所占的体积百分比，所述基底粘结层由Mo或者Mo与不锈钢和Cr中的一种或两种混合而成，基底粘结层的厚度为50～100nm；
所述钝化层的材料为Al2O3、Si3N4或AlN。
2.如权利要求1所述的中高温光谱选择性吸收涂层，其特征在于，所述中高温光谱选择性吸收涂层采用Cu、Al、SS和Si四靶磁控溅射镀膜系统制备。
3.如权利要求1所述的中高温光谱选择性吸收涂层，其特征在于，所述红外反射层为金属Cu、Ag或Al。
4.如权利要求1所述的中高温光谱选择性吸收涂层，其特征在于，所述第一吸收层中金属组分的体积比为25％～30％。
5.如权利要求1所述的中高温光谱选择性吸收涂层，其特征在于，所述第二吸收层中金属组分的体积比为13％～16％。
6.如权利要求1所述的中高温光谱选择性吸收涂层，其特征在于，所述红外反射层的厚度为70nm～100nm，所述钝化层的厚度为20nm～50nm，所述第一吸收层的厚度为100nm～150nm，所述第二吸收层的厚度为50nm～70nm，所述光学减反射层的厚度为50nm～70nm。
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