CN103255377B - 一种纳米复合Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米复合Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层及其制备方法，该吸收涂层是在不锈钢的基底上依次沉积有红外高反射层、低氧吸收层、中氧吸收层和高氧减反射层，本发明涂层的制备方法为，采用电弧放电法在基底上依次沉积红外高反射层、低氧吸收层、中氧吸收层和高氧减反射层，本发明涂层结构设计合理，所制备的Cr-Al-O基复合涂层的吸收比为0.92-0.94，发射率为0.15-0.22，良好的热稳定性和很高的附着力。同时制备过程接近无污染，不但克服了常规电镀法的严重环境污染问题，同时还解决了磁控溅射法涂层热稳定性和高温附着力差的问题以及蒸镀技术的涂层均匀性差的问题，有望应用于中高温太阳能利用领域。

Description

一种纳米复合Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及薄膜材料领域，特别涉及一种纳米复合Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层及其制备方法。

背景技术

在太阳能光热转换装置中，首先要使太阳辐射转换成热能，能够实现这种功能的部件就是太阳能集热器。该部件核心的部分是太阳光谱选择吸收涂层。这种涂层吸收太阳光谱紫外到近红外范围内的大部分光波，而在红外波段则是透过的，将涂层沉积在金属基底上可利用其高红外反射的特性将红外波反射掉。这样设计的目的是尽可能避免因涂层吸收红外光波而带来高的热发射率，造成热能损失，尤其随涂层工作温度的升高，这部分热损失就越严重。因此涂层的性能的好坏决定太阳能光热转效率的高低。

涂层的光谱选择吸收特性是其性能评价的最要因素。在上世纪60-80年代研究这种涂层的初期，研究者大都采用在高反射金属基底沉积单一吸收层的设计概念，这种结构的涂层的吸收比在0.8以下，发射在0.1左右；增加减反射层后涂层的吸收比可提高到0.85，而对其发射率没多大影响。但还不能满足实际应用对高的光热转换效率的要求。到了上世纪90年代，随着计算机技术的发展，研究者通过理论计算发现可通过吸收层的成分渐变来实现涂层的光学层数的渐变，这种涂层的吸收比可高达0.9，大大促进了太阳光谱选择吸收涂层的研究。但是这种结构的涂层由于成分渐变造成其在1500-2500nm波段的高吸收到高反射转变的过于缓慢，导致其发射率高于0.2而不能满足实际的应用要求。本世纪出，研究者提出了四层结构的设计概念，即在基底先沉积一层高红外反射金属以降低涂层的发射，再在其上面依次沉积两层吸收层，其中的低金属含量层叠在高金属含量层上，以大量吸收太阳辐射，最后再沉积一层电介质层以降低涂层对太阳辐射的反射。这种涂层的吸收机理有两种：一种是本征吸收，主要是通过高金属含量的两吸收层实现；一种是干涉相消吸收，主要是通过四层结构的组合后的在太阳辐射波段的干涉相消效应实现。根据该设计概念制备的涂层吸收比高达0.95而发射率在0.2以下，可以满足实际应用的要求。而且同时期的纳米材料的微结构研究也发现，高金属含量的吸收层是由纳米尺度的金属颗粒镶嵌在金属氧化物电介质的基体上构成。这种复合材料对太阳辐射大量吸收是由纳米金属颗粒表面的大量电子在入射光的电磁场作用产生强烈的振荡而引起的，也就是表面等离子振荡吸收作用。这大大方便研究者制备太阳光谱选择吸收涂层。

目前电化学镀技术和物理气相沉积技术是制备选择吸收涂层的主要技术。采用电化学镀技术中的电镀技术，已成功制备出黑铬和黑镍涂层，具有良好的选择吸收性；电化学镀技术中的另外一种技术是电化学转化法，其中最成熟的工艺是铝阳极氧化膜，这种涂层是无色透明的多孔膜，具有很高的吸收比和很低的发射率。但电化学法制备的涂层热稳定性差，并且其环境污染问题还没有有效的解决办法，该方法正被逐渐被淘汰，取代的方法是物理气相沉积技术。应用于制备太阳光谱选择吸收涂层的物理气相沉积技术主要是蒸镀技术和磁控溅射技术。最先使用的方法是蒸镀技术，在红外高反射金属表面沉积一层半导体薄膜，由于半导体大量吸收其吸收限波长以下的光波，对吸收限波长以上的光波则是透明的，金属基底对透过半导体层的光波高反射，从而实现对太阳光谱的选择吸收。但蒸镀技术也存在不足，由于沉积的涂层均匀性差，这种方法不适合大面积沉积太阳光谱选择性吸收涂层，并且沉积速率难以控制和涂层中出现大量的针孔，影响涂层的质量，限制了这种技术的广泛应用。在制备太阳光谱选择吸收涂层的丛多技术中，磁控溅射技术是最成熟的也是应用最广泛的技术。该技术制备的涂层厚度可以控制，可以结合理论计算结果进行涂层的制备。采用有效介质理论和计算机模拟技术，通过数值优化，可以计算出具体涂层材料获得最佳选择吸收性的光学参数和厚度，然后利用该技术厚度可控的优势制备出涂层。该方法制备的涂层的吸收比高达0.9，发射率低于0.2，在真空中具有较好的热稳定性；已在太阳能热水系统和其他中低温太阳能利用领域实现商业化应用。但该方法由于溅射金属原子的离化率低，制备的涂层中金属成分价态低，在空气中进一步氧化，造成其热稳定性差（低于400℃），涂层在400℃以上的空气中短时保温出现吸收比大幅度下降发射率大幅度升高及由于应力作用产生裂纹甚至剥落的现象，说明涂层的热稳定性和高温附着力较差，限制其在中高温空气环境中的应用；并且该方法的沉积速率较慢，这增加了涂层的制备周期，增加了成本。因此，寻求一种既无环境污染又保持涂层的高吸收和低发射特性且在高温下具有较好涂层附着力的制备工艺是一个急需的课题，同时寻找具有更高热稳定性的新材料也成为一个热点问题。

电弧离子镀技术也是一种物理气相沉积技术，由于具有无污染、离化率高、沉积速率快、离子能量大、成本低等特点，是目前硬质涂层的主要制备技术，而将其应用于制备太阳光谱选择吸收涂层的研究还非常少，对其制备的涂层光学性能和微结构的研究更少。将其应用于制备中高温太阳能选择吸收涂层，由于在沉积涂层之前，增加了高偏压离子轰击这一工艺，实现涂层与基底的冶金结合，可以解决磁控溅射技术制备的涂层高温附着力差的问题；同时电弧蒸发的金属原子的离化率高达90%，生成的涂层化学态稳定从而提高其热稳定性；而且通过改变通入的反应气体的流量和控制每层的沉积时间，制备出四层结构的涂层；还有通过装载基底的工件架的旋转，使基底在电弧靶前面沉积纳米金属颗粒后转到反应气氛中反应掉部分金属得到纳米晶-非晶复合材料的吸收层，从而保持涂层的高吸收低发射的选择吸收性。Al₂O₃是一种具有低折射率、高热稳定性、高硬度、耐腐蚀的抗氧化材料,常用做电介质和刀具涂层材料，其在太阳光谱选择吸收涂层中已被大量用作复合材料吸收层的基体和减反射层，并且在高温下表现出良好的热稳定性。金属Cr也是一种具有良好抗氧化和抗腐蚀能力的材料，由于其在表面形成致密的Cr₂O₃层。将金属Cr与Al₂O₃复合有望制备出具有良好性能的Cr-Al-O涂层。电弧离子镀技术可制备出四层结构Cr-Al-O涂层，这种涂层不仅具有高的吸收比和低的发射率，还具有很高的热稳定性，有望应用于中高温太阳能利用领域。

发明内容

本发明的目的在于应用最先进的太阳光谱选择吸收涂层的四层结构设计概念，结合大功率放电多弧离子镀技术在制备纳米晶-非晶复合材料的优势，同时克服电镀技术和磁控技术的不足，提供一种纳米复合Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层及其制备方法。

本发明产品的技术方案是：

一种纳米复合Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层，其特征在于：该吸收涂层是在不锈钢的基底上依次沉积有红外高反射层、低氧吸收层、中氧吸收层和高氧减反射层，其中：红外高反射层材料为纯金属Cr；低氧吸收层和中氧吸收层均为Cr-Al合金纳米晶与非晶相（Al₂Cr）-O_X的复合材料，其中低氧吸收层X的范围为0.67≤X≤0.75，中氧吸收层的X的范围为0.8≤X≤0.9；高氧减反射层为非晶(Al₂Cr)O_X材料，其中X的范围为1≤X≤1.2。

为进一步提高本发明的性价比：所述吸收涂层的整体厚度在600nm～820nm，其中：高反射层的厚度为500-600纳米；低氧吸收层的厚度为65-75纳米；中氧吸收层的厚度为40-50纳米；高氧减反射层的厚度为45-55纳米。

所述低氧吸收层中Cr-Al合金纳米晶的大小为2-5纳米；中氧吸收层中Cr-Al合金纳米晶的大小为2-3纳米。

本发明还提供此吸收涂层的制备方法：

在制备过程中基底保持旋转，利用电弧放电法制备涂层，具体步骤如下：

1）在经过化学清洗的基底上沉积红外高反射层，该红外高反射层材料为纯金属Cr；

2）在红外高反射层上依次沉积低氧吸收层和中氧吸收层，该低氧吸收层和中氧吸收层为Cr-Al合金纳米晶与非晶相（Al₂Cr）-O_X的复合材料，其中低氧吸收层X的范围为0.67≤X≤0.75，中氧吸收层的X的范围为0.8≤X≤0.9；高氧减反射层为非晶(Al₂Cr)O_X材料；

3）在中氧吸收层上沉积高氧减反射层，该高氧减反射层为为非晶(Al₂Cr)O_X材料，其中X的范围为1≤X≤1.2。

作为优选项：

1）所述的Cr层的沉积条件为：电弧功率为1.4-1.6千瓦，真空度为10^-3-10^-2Pa内，基底偏压为-800到-1000V；

2）所述的低氧吸收层的沉积条件为：氧气和氩气环境下，电流30-50A，对应的电弧功率为0.6-1千瓦，氧流量15-25SCCM，真空度为0.4-0.6Pa，基底偏压为-100到-200V；

3）所述的中氧吸收层的沉积条件为：氧气和氩气环境下，电流30-50A，对应的电弧功率为0.6-1千瓦,氧流量30-40SCCM，真空度为0.4-0.6Pa，基底偏压为-100到-200V；

4）所述的高氧层的沉积条件为：氩气和过量氧气环境下，电流30-50A，对应的电弧功率为0.6-1千瓦,氧流量50-160SCCM，真空度为0.5-2Pa，基底偏压为-100到-200V。

所述吸收涂层的整体厚度在600nm～820nm，其中：高反射层的厚度为500-600纳米；低氧吸收层的厚度为65-75纳米；中氧吸收层的厚度为40-50纳米；高氧减反射层的厚度为45-55纳米。

所述低氧吸收层中Cr-Al合金纳米晶的大小为2-5纳米；中氧吸收层中Cr-Al合金纳米晶的大小为2-3纳米。

所述基底的转速范围在3-5rpm。

而且，上述技术方案中通过调节通入真空室的氧气流量控制涂层中的氧含量，控制每层次层的Cr-Al纳米晶和大小和Cr-Al-O非晶的含量，得到具有不同微结构的纳米晶-非晶复合材料的吸收层。在沉积减反射层时，通入过量的氧气，使涂层完全氧化，获得具有高抗氧化性的均匀Cr-Al-O涂层。

而且高红外反射金属Cr层的厚度约为500-600nm；低氧吸收层的厚度为65-75nm，CrAl纳米晶的大小为2-5nm；中氧吸收层的厚度为40-50nm，Cr-Al纳米晶的大小为2-3nm；高氧减反射层的厚度为45-55nm。

由上述技术方案可知本发明是利用大功率电弧放电法制备纳米复合Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层。该方法首先利用电弧放电技术用Cr离子在接-800V到-1000负偏压的旋转基底上沉积金属Cr层；该层的作用：一是连接作用，提高涂层的附着力；二是对红外波高反射以降低涂层的发射率。轰击过后依次沉积低氧和中氧吸收层，两次层吸收层组合后，可大量吸收太阳辐射，并将其转化为热能，同时涂层厚度较薄，对红外波吸收较少，降低发射率。最后沉积高氧减反射层，该层的作用：一是利用高氧Cr-Al-O层的低折射系数特性，降低涂层对太阳辐射的反射作用；二是高氧Cr-Al-O层阻止空气中的氧气向吸收层扩散，保护吸收层不被完全氧化。本发明采用不锈钢/Cr/低氧Cr-Al-O/中氧Cr-Al-O/高氧Cr-Al-O氧含量依次升高的四层结构，降低涂层的内应力，再加入高能离子轰击工艺，可提高涂层的附着力，使涂层在高温空气中使用也不会脱落。由于Cr-Al-O高温下具有较好的抗氧化性，而其氧化物在高温下的稳定性更高，因而使涂层具有较高的热稳定性。Cr-Al-O复合材料的吸收层中的金属纳米晶的表面等离子振荡效应能引起对太阳辐射的大量吸收，而对于红外光的吸收则较少，可实现涂层选择吸收性。此外，高氧Cr-Al-O层可以阻止空气中的氧气向中低氧层扩散，还可以降低涂层对太阳辐射的反射，进一步提高涂层的高温抗氧化性和吸收比。

因此本发明具有如下优点：第一，与化学镀相比，本发明所有的制备过程都在真空中进行，没有任何污染，克服了化学镀的重金属污染问题；与磁控溅射技术相比，本发明所采用的大功率放电离子镀技术制备的涂层的附着力较高，在高温空气中不易脱落。第二，本发明制备的新型PVD太阳光谱选择吸收涂层采用的化学成分为Cr、Al和O，其中吸收层中镶嵌CrAl合金的纳米晶，对太阳辐射具有强吸收作用；高氧层可降低涂层对太阳辐射的反射；涂层的吸收比高于0.9，发射率在0.2左右，具有良好的选择吸收性；同时Cr和Al的氧化物在高温下具有良好的热稳定性，从而保证涂层在高温下良好的热稳定性，而涂层的热稳定测试表明涂层的选择吸收性可在500℃的空气中保持100小时，在700℃的空气中保持2小时。第三，本发明采用大功率电弧放电技术进行涂层的制备，不但克服了磁控溅射技术真空室中等离子体密度较低导致涂层的附着力差和蒸镀技术涂层均匀性不好的问题，同时涂层设备结构简单，易于控制，工业应用前景良好。第四，本发明的新型PVD太阳光谱选择吸收涂层可以在高温空气中直接使用，相对于真空型选择吸收涂层具有简化光热转换设备的优势。

本发明针对磁控溅射技术制备的涂层在高温空气中附着力差以及所采用的材料热稳定性差的问题，结合目前太阳光谱选择吸收涂层最先进的四层结构设计概念，采用完全无污染的大功率电弧放电技术在不锈钢基底表面制备纳米复合Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层。该技术一方面使涂层与基底在高温空气中具有良好的结合力还提高涂层的高温热稳定性，另一方面由于其在制备金属纳米晶-金属氧化物非晶复合材料的优势，可保持实现涂层的选择吸收特性。有望在太阳能热水系统、海水淡化系统和中高温太阳能发电系统实现应用，由于可将涂层暴露与空气中，可大大简化太阳能集热器系统的设计，降低成本。

本发明涂层结构设计合理，所制备的Cr-Al-O基复合涂层的吸收比为0.92-0.94，发射率为0.15-0.22，良好的热稳定性和很高的附着力。同时制备过程接近无污染，不但克服了常规电镀法的严重环境污染问题，同时还解决了磁控溅射法涂层热稳定性和高温附着力差的问题以及蒸镀技术的涂层均匀性差的问题，有望应用于中高温太阳能利用领域。

总之，本发明因其技术上的优越性和选材的科学性使其不但可以克服化学镀的环境污染问题，同时又继承普通阴极电弧发电沉积速率快、离化率高等特点，使涂层的附着力和热稳定性优于磁控溅射法制备的涂层，同时可实现涂层的选择吸收特性，在非真空型太阳能高温领域中具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明中所采用的Cr-Al-O涂层制备装置示意图；

图2为本发明实施例2制备的Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层的四层结构的TEM图；

图3为本发明实施例2制备的Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层的表明形貌图；

图4为本发明实施例2制备的Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层的吸收层和减反射层的HRTEM图；

图5为本发明实施例2制备的Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层的反射曲线。

图1中：1-真空抽气口，2—工件架，3—Cr靶，4---加热器，5---炉门，6---CrAl靶，7---真空室。

具体实施方式

实施本发明方法的装置如图1所示，装置的真空室（7）由炉壁围成，真空室高度为0.5-1.5米，体积为50×50×50cm。真空室前面设有炉门（5），以方便基底材料的装卸。真空室设有抽真空口（1），抽真空机组通过抽真空口对真空室进行抽真空，抽真空机组由机械泵和分子泵组成，极限真空可以达到8×10^-4Pa。真空室左右两侧炉壁分别装有AlCr（原子比70:30）合金靶（6）和高纯度Cr靶（3），靶电流在20-170A内可调。炉内装有两个对称分布的加热器（4），用于加热真空室。工件架（2）可以逆时针转动，转速在3-5rpm内可调，并且接到负偏压上。工作气体为O₂和氩气，由质量流量计控制。

本本实施例的制备过程为：

第一，基底材料的清洗。将基底材料依次在丙酮、酒精和去离子水中各超声清洗15min后置于干燥器中烘干，然后装载于转速可在3-5rpm之间调节的工件架上，关闭制样室门。

第二，真空环境的获得。首先是在低真空的条件下使用机械泵进行抽气；当真空度到达2pa以下后，打开分子泵将抽气系统转换为高真空获得系统，直到8×10^-3pa以下。

第三，涂层的制备。首先将工件架的转速设定为3-5rpm。然后利用大功率（1.4-1.6千瓦）电弧放电技术用电流把Cr离子从Cr靶上蒸发出来，沉积在接-800到-1000V负偏压的旋转基底形成金属Cr层。然后关闭Cr靶，打开Cr-Al靶调节电流（相应功率0.6-1千瓦）、负偏压，通入氧气并调节氩气的流量使真空度为0.4-0.6Pa，沉积低氧吸收层，沉积时间为2-3min；增加氧气的流量为并调节氩气的流量使真空度为0.4-0.6Pa，沉积中氧吸收层，沉积时间为1-2min；继续增加氧气流量并调整氩气的流量使真空度保持为0.5Pa-2Pa，沉积高氧减反射层，沉积时间为1-2min。制备结束后自然冷却，得到四层结构的Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层。

以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明：

实施例一：在10^-3的真空度下，控制转速为3rpm，利用Cr靶蒸发出来的高能离子在经过清洗的不锈钢基底沉积Cr层，沉积源的功率为1.4千瓦，工件上的偏压为-800V，沉积时间为10min，该红外高反射层的厚度为500纳米；沉积结束后，降低偏压为-100V，通入流量为15SCCM的氧气，并调节氩气流量使真空度为0.4Pa，打开CrAl靶，电流为30A，对应的功率为0.6千瓦，沉积低氧吸收层，低氧吸收层为Cr-Al合金纳米晶与非晶相（Al₂Cr）-O_X的复合材料，沉积时间为2min，其中X为0.67，厚度为65纳米，金属纳米晶的大小4-5纳米；增加氧气流量为30SCCM，并调节氩气流量是真空度保持为0.4Pa，沉积中氧吸收层，中氧吸收层为Cr-Al合金纳米晶与非晶相（Al₂Cr）-O_X的复合材料，沉积时间为1min，其中X为0.8，厚度为40纳米，纳米晶的大小约为3纳米；继续增加氧气的流量到50SCCM，并调节氩气流量使真空度保持为0.5Pa，沉积高氧减反射层，高氧减反射层为非晶(Al₂Cr)O_X，沉积时间为1min，其中X为1，厚度为45纳米；沉积结束自然冷却，总厚度为650纳米，得到四层结构的太阳光谱选择吸收涂层，其吸收比为0.911，发射率为0.20。

实施例二：在10^-2的真空度下，控制转速为5rpm，利用Cr靶蒸发出来的高能离子在经过清洗的不锈钢基底沉积Cr层，沉积源的功率为1.6千瓦，工件上的偏压为-1000V，沉积时间为10min，该红外高反射层的厚度为600纳米；沉积结束后，降低偏压为-200V，通入流量为20SCCM的氧气，并调节氩气流量使真空度为0.5Pa，打开CrAl靶，电流为40A，对应的功率为0.8千瓦，沉积低氧吸收层，低氧吸收层为Cr-Al合金纳米晶与非晶相（Al₂Cr）-O_X的复合材料，沉积时间为2min，其中X为0.7，厚度为70纳米，金属纳米晶的大小3-5纳米；增加氧气流量为35SCCM，并调节氩气流量是真空度保持为0.5Pa，沉积中氧吸收层，中氧吸收层为Cr-Al合金纳米晶与非晶相（Al₂Cr）-O_X的复合材料，沉积时间为1min，其中X为0.85，厚度为45纳米，纳米晶的大小约为2-3纳米；继续增加氧气的流量到50SCCM，并调节氩气流量使真空度保持为0.5Pa，沉积高氧减反射层，高氧减反射层为非晶(Al₂Cr)O_X，沉积时间为1.5min，其中X为1，厚度为50纳米；沉积结束自然冷却，总厚度为765纳米，得到四层结构的太阳光谱选择吸收涂层，其吸收比为0.924，发射率为0.21。

实施例三：在10^-3的真空度下，控制转速为4rpm，利用Cr靶蒸发出来的高能离子在经过清洗的不锈钢基底沉积Cr层，沉积源的功率为1.4千瓦，工件上的偏压为-800V，沉积时间为10min，该红外高反射层的厚度为500纳米；沉积结束后，降低偏压为-200V，通入流量为25SCCM的氧气，并调节氩气流量使真空度为0.6Pa，打开CrAl靶，电流为50A，对应的功率为1千瓦，沉积低氧吸收层，低氧吸收层为Cr-Al合金纳米晶与非晶相（Al₂Cr）-O_X的复合材料，沉积时间为3min，其中X为0.75，厚度为75纳米，金属纳米晶的大小2-4纳米；增加氧气流量为40SCCM，并调节氩气流量是真空度保持为0.6Pa，沉积中氧吸收层，中氧吸收层为Cr-Al合金纳米晶与非晶相（Al₂Cr）-O_X的复合材料，沉积时间为2min，其中X为0.9，厚度为43纳米，纳米晶的大小约为2纳米；继续增加氧气的流量到160SCCM，并调节氩气流量使真空度保持为2Pa，沉积高氧减反射层，高氧减反射层为非晶(Al₂Cr)O_X，沉积时间为3min，其中X为1.2，厚度为55纳米；沉积结束自然冷却，总厚度为673纳米，得到四层结构的太阳光谱选择吸收涂层，其吸收比为0.939，发射率为0.22。

实施例四：在10^-3的真空度下，控制转速为4rpm，利用Cr靶蒸发出来的高能离子在经过清洗的不锈钢基底沉积Cr层，沉积源的功率为1.4千瓦，工件上的偏压为-800V，沉积时间为10min，该红外高反射层的厚度为500纳米；沉积结束后，降低偏压为-200V，通入流量为20SCCM的氧气，并调节氩气流量使真空度为0.5Pa，打开CrAl靶，电流为50A，对应的功率为1千瓦，沉积低氧吸收层，低氧吸收层为Cr-Al合金纳米晶与非晶相（Al₂Cr）-O_X的复合材料，沉积时间为2min，其中X为0.75，厚度为70纳米，金属纳米晶的大小约为4纳米；增加氧气流量为35SCCM，并调节氩气流量是真空度保持为0.5Pa，沉积中氧吸收层，中氧吸收层为Cr-Al合金纳米晶与非晶相（Al₂Cr）-O_X的复合材料，沉积时间为1min，其中X为0.85，厚度为40纳米，纳米晶的大小约为3纳米；继续增加氧气的流量到100SCCM，并调节氩气流量使真空度保持为1Pa，沉积高氧减反射层，高氧减反射层为非晶(Al₂Cr)O_X，沉积时间为2min，其中X为1.1，厚度为50纳米；沉积结束自然冷却，总厚度为660纳米，得到四层结构的太阳光谱选择吸收涂层，其吸收比为0.926，发射率为0.178。

图2为实施例2制备的Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层的四层结构的TEM图：从图中可看出，涂层由下往上依次为金属Cr层、低氧Cr-Al-O层、中氧Cr-Al-O层、高氧Cr-Al-O层，量得每层的厚度分别为600nm、70nm、45nm、50nm。各层之间连接紧密，涂层质量较好。

图3为实施例2制备的Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层的表明形貌图：从图中可看出涂层表层致密无裂纹空洞等缺陷，涂层质量较好。大颗粒是电弧蒸发铬铝合金液滴形成的。

图4为实施例2制备的Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层的吸收层（（a）--低氧吸收层，（b）----中氧吸收层）和减反射层（(c)---高氧减反射层）的HRTEM图：从图中可以看出，随着氧流量的增加，涂层的微结构发生了明显的变化。当氧流量为20和35SCCM时，涂层由纳米晶层和非晶层交替组成；当氧流量低时，金属纳米晶的大小为2-5nm，当氧流量为35SCCM时，金属纳米的大小约为2-3nm。当氧流量升至50SCCM时，图中没发现金属纳米晶，主要为CrAl金属的氧化物非晶相。

图5为实施例2制备的Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层的反射曲线：从图中可看出，涂层在300-2500波段的反射率低于10%，大量吸收该波段的太阳辐射；而在2500nm以上的波段的反射率在80%以上，吸收较少。根据反射曲线计算得吸收比为0.924，发射率为0.21。说明涂层具有较好的选择吸收性能。

Claims (7)

1.一种纳米复合Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层，其特征在于：该吸收涂层是在不锈钢的基底上依次沉积有红外高反射层、低氧吸收层、中氧吸收层和高氧减反射层，其中：红外高反射层材料为纯金属Cr；低氧吸收层和中氧吸收层均为Cr-Al合金纳米晶与非晶相（Al₂Cr）-O_X的复合材料，其中低氧吸收层X的范围为0.67≤X≤0.75，中氧吸收层的X的范围为0.8≤X≤0.9；高氧减反射层为非晶(Al₂Cr)O_X材料，其中X的范围为1≤X≤1.2；所述低氧吸收层为Cr-Al纳米晶层和非晶（Al₂Cr）-O_X层交替组成，其中Cr-Al合金纳米晶的大小为2-5纳米；中氧吸收层为Cr-Al纳米晶层和非晶（Al₂Cr）-O_X层交替组成，其中Cr-Al合金纳米晶的大小为2-3纳米。

2.如权利要求1所述的纳米复合Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层，其特征在于：所述吸收涂层的整体厚度在600nm～820nm，其中：

1）红外高反射层的厚度为500-600纳米；

2）低氧吸收层的厚度为65-75纳米；

3）中氧吸收层的厚度为40-50纳米；

4）高氧减反射层的厚度为45-55纳米。

3.一种如权利要求1所述的纳米复合Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层的制备方法，其特征在于：在制备过程中基底保持旋转，利用电弧放电法制备涂层，具体步骤如下：

1）在经过化学清洗的基底上沉积红外高反射层，该红外高反射层材料为纯金属Cr；

2）在红外高反射层上依次沉积低氧吸收层和中氧吸收层，该低氧吸收层和中氧吸收层为Cr-Al合金纳米晶与非晶相（Al₂Cr）-O_X的复合材料，其中低氧吸收层X的范围为0.67≤X≤0.75，中氧吸收层的X的范围为0.8≤X≤0.9；高氧减反射层为非晶(Al₂Cr)O_X材料；

3）在中氧吸收层上沉积高氧减反射层，该高氧减反射层为为非晶(Al₂Cr)O_X材料，其中X的范围为1≤X≤1.2。

4.如权利要求3所述的纳米复合Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层的制备方法，其特征在于：

1）所述的Cr层的沉积条件为：电弧功率为1.4-1.6千瓦，真空度为10^-3-10^-2Pa，基底偏压为-800到-1000V；

2）所述的低氧吸收层的沉积条件为：氧气和氩气环境下，电流30-50A，对应的电弧功率为0.6-1千瓦，氧流量15-25SCCM，真空度为0.4-0.6Pa，基底偏压为-100到-200V；

3）所述的中氧吸收层的沉积条件为：氧气和氩气环境下，电流30-50A，对应的电弧功率为0.6-1千瓦,氧流量30-40SCCM，真空度为0.4-0.6Pa，基底偏压为-100到-200V；

4）所述的高氧层的沉积条件为：氩气和过量氧气环境下，电流30-50A，对应的电弧功率为0.6-1千瓦,氧流量50-160SCCM，真空度为0.5-2Pa，基底偏压为-100到-200V。

5.如权利要求3所述的纳米复合Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层的制备方法，其特征在于：所述吸收涂层的整体厚度在600nm～820nm，其中：

1）高反射层的厚度为500-600纳米；

2）低氧吸收层的厚度为65-75纳米；

3）中氧吸收层的厚度为40-50纳米；

4）高氧减反射层的厚度为45-55纳米。

6.如权利要求3所述的纳米复合Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层的制备方法，其特征在于：所述低氧吸收层中Cr-Al合金纳米晶的大小为2-5纳米；中氧吸收层中Cr-Al合金纳米晶的大小为2-3纳米。

7.如权利要求3所述的纳米复合Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层的制备方法，其特征在于：所述基底的转速范围在3-5rpm。