CN104294270B

CN104294270B - 制备太阳能选择性吸收涂层的新工艺

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Publication number: CN104294270B
Application number: CN201410550725.8A
Authority: CN
Inventors: 宫殿清; 程旭东; 闵捷; 张朴; 罗干
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2014-10-16
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2034-10-16
Also published as: CN104294270A

Abstract

本发明为一种制备太阳能选择性吸收涂层的新工艺，该工艺利用原料中一种或几种组分熔点较低的特点，通过加热使低熔点组分熔化，将其它组分溶解或融入，并与金属基体材料发生冶金反应。凝固后得到与金属基体材料结合牢固的目标涂层。这种工艺可以用来制备含有Al、Zn等低熔点材料的太阳能选择性吸收涂层，如CrAlO、MoAlO、WAlO等涂层。这种工艺具有操作简单，与基材结合牢固，制成涂层抗热冲击性能优等优点。此外，该工艺还可用于制备减反层。

Description

制备太阳能选择性吸收涂层的新工艺

技术领域

本发明涉及涂层制备技术领域，特别是涉及制备应用于非真空条件下的中高温太阳能选择性吸收涂层，具体是一种制备太阳能选择性吸收涂层的新工艺。

背景技术

能源危机是目前人类生存所面临的严重危机之一。与众多化石能源相比，太阳能可以近似看作一种取之不尽用之不竭的清洁能源。太阳能源于太阳内部的热核反应，氢便是反应材料，由于在太阳内部深处的极高温度和上面各层存在的巨大压力，发生了氢变为氦的热核聚变反应，反应过程中亏损的质量便转化成了能量向空间辐射。而人类所使用的化石燃料，其能量从根本上讲也来自太阳能。据统计，与目前人类所能开发的核能、地热等能量相比，地球所截取的太阳辐射能总量较其总储量大5000多倍。而地球每年接受的太阳能总量则是已探明原油储量的近千倍，是世界年耗总能量的一万余倍。因而太阳能应用是一个很有潜力的研究。

但是，在利用集热器吸收太阳能时，入射太阳光的能量在集热器表面会有反射损失、传导和对流损失、辐射损失。剩余部分才是能为传热媒质带走而得到利用的有效部分。因此，为了最大限度地利用入射太阳光的能量，就必须尽量抑制这些热损失。对于传导和对流损失，可以通过在吸热面表面加盖透明盖板，使用透明隔热材料或使用真空管集热器等方法来降低这方面的热损失。对于抑制表面的反射损失和辐射损失，则是利用光谱选择性吸收涂层来实现。当辐射的能量投射到物体表面时，同时会发生吸收、反射和透射现象。对同一波长的光波而言，材料的吸收率和发射率相等，即吸收率高则相应地发射率也高。但吸收率α与反射率r及透射率t会遵从如卜关系α+r+t=1。对于不透明材料而言，由于t=0，则α+r=1。而对于黑色物体来说，r≈0，则α≈l。将这一要求指标化，就是需要高的吸收率（α）和低的发射率（ε）。根据以上讨论，可知在表面上制备太阳能选择性吸收涂层是一个理想的方法。然而，太阳能的分布并不均匀，其光辐射能量主要分布在波长λ为0.3μm~2.5μm的光谱区内，也就是说太阳辐射能主要分布在可见光和近红外区。而物体受热发生黑体辐射的能量主要分布在波长为2 -100 μm的光谱区中，也就是主要在远红外区。因此，最有效的太阳能选择性吸收涂层是在太阳光谱范围内，即λ<2.5μm，有α≈1(即r≈0)；而在λ>2.5μm，即热辐射波长范围内，有ε≈0(即r≈1或α≈0) 。但在实际制备涂层时，当α达到某一数值后，要想进一步增大α，ε也会随之增大。而且，有时ε增加的值大于α增加的值，故研究中经常应用α与ε的比值(α/ε)来表征涂层选择性的高低。在太阳能选择性吸收涂层的实际应用中，还要考虑环境因素对其性能的影响，例如温度、湿度、酸碱度等因素都可能使涂层的性能受影响。

太阳能选择性吸收涂层的研究始于上个世纪中叶。之前，太阳能集热器一直使用黑板漆和无光黑漆作为吸收涂层，这种涂层没有选择性。直到1954年，在第一次世界太阳能大会上以色列专家泰勒和美国专家吉尔顿柯尔论证了制作高吸收率和低发射率的选择性涂层表面的可能性，并且分别提出黑镍和黑铬两种表面涂层。之后，澳大利亚、以色列、德国、日本等国都投入巨资进行相关研究，开发出一系列的选择性吸收涂层。其中，澳大利亚悉尼大学研究出涂层的3层结构被认为是一种经典结构，已被普遍采用。这种结构里层是亮金属反射层，中间是太阳能吸收层，外层是减反射层。日本科学家设计出了在铝做基板，上面覆盖有机树脂的涂层。Pathkar则在玻璃衬底上沉积黑钴。Reis提出在钴基体上涂覆黑镍、电镀黑镍等涂层。Kalleder采用溶胶—凝胶法从一种可水解、可缩聚的化合物中制取含碳母体用作涂层材料。

从上个世纪70年代末，我国逐渐开展太阳能利用方面的研究。清华大学、北京市太阳能研究所、辽宁省能源研究所、中国科学院上海硅酸所、北京有色金属研究总院等单位和一些太阳能企业开始研究开发选择性吸收涂层，先后研制出硫化铅/沥青漆涂层、黑铬涂层、黑钴涂层、铝氮氧渐变型选择性吸收涂层。

之后，清华大学在氩气中采用磁控溅射工艺制备出Al-N、Al-N-O涂层；上海硅酸盐研究所提出以有机材料、玻璃及金属为基板的黑铝涂层；李守祥研制了采用O、N共同参与的铝阴极反应的涂层；沈阳台阳太阳能公司研制并应用了表层为铝—氮膜，吸收层为铝—碳膜的涂层；张云山提出了由吸热材料和粘结剂组成的涂料型涂层；青岛建工学院发明了一种由吸光剂、粘结剂、溶剂和助剂组成的涂层；李先航提出了金属陶瓷型涂层。

目前世界上一般用316L不锈钢管作为选择性吸收涂层的基底材料。采用澳大利亚悉尼大学提出的3层结构涂层。位于薄膜最底层（紧邻基底材料）的是红外反射层，目前这一层所用的材料主要包括Al、Cr、Cu、Au、Ni、Ti、Ag、Mo、W等，可以满足较高的红外反射率（低的发射率），高温下具有较高的抗氧化和抗扩散能力，同时与基底材料具有良好的结合力的要求。中间层是吸收层，如金属陶瓷等，在太阳光谱0.3μm~2.5μm波段具有较低反射率（高的吸收率），而在高于2.5μm的红外波段具有高的反射率（低的发射率）。最上面的是减反射层，最常用的是单层SiO₂或Al₂O₃薄膜。它位于涂层结构的最外层，紧邻空气，主要作用是降低太阳能光谱的反射率，从而实现最大限度的太阳能吸收率。瑞典科学家用溶胶凝胶法制备SiO₂减反层，使涂层的吸收率从0.79~0.81提高到0.93，发射率为0.03。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种新型的制备可应用于非真空条件下中高温太阳能选择性吸收涂层的工艺技术。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种制备太阳能选择性吸收涂层的新工艺，包括如下步骤：1）准备原材料，原材料包括低熔点金属组分和其它组分，并且低熔点金属组分和其它组分都为纳米级粉体状；2）将低熔点金属组分和其它组分混合均匀，之后加入少许中性粘合剂制成膏体；3）将膏体均匀涂覆到金属基体材料上，加热金属基体材料，使有机物充分挥发，当加热温度超过低熔点金属组分熔点15-20℃时，保温，使低熔点金属组分充分熔化，从而将其它组分溶解或融入；同时，熔化的低熔点金属组分与金属基体材料发生冶金反应，形成一层过渡层并与金属基体材料紧密结合；4）反应完成后，以较慢的速度进行冷却，使金属基体材料表面形成致密氧化物薄膜，当冷却至室温时，即得到目标涂层。

本发明工艺利用涂层成分中的低熔点金属组分熔化形成熔池，从而将其它组分溶解或融入，并通过与金属基体材料发生冶金反应，形成涂层与基体材料的紧密结合。

具体实施时，原材料中低熔点金属组分和其它组分的质量比为3:1-1:3；中性粘合剂的加入量以将各种组分与金属基体材料粘接为宜，但中性粘合剂的加入质量不得超过原材料总体质量的3%。

所述的低熔点金属组分为Al、Zn、Sn，所述的其它组分为Mo、W、V、Ti、Ni、Cr、WC、Co，所述的中性粘合剂为凡士林、松香。

本发明可制备含有Al、Zn、Sn等低熔点金属材料的太阳能选择性吸收涂层，如CrAlO、MoAlO、WAlO等涂层。本发明工艺具有操作简单，与基材结合牢固等优点。通过本发明工艺制备的涂层可在大气环境中使用，且具有较强的耐热冲击性能和较好的抗腐蚀性能。此外，本发明工艺还可用于在其他涂层表面制备减反层。

附图说明

图1为本发明工艺制备得到的太阳能选择性吸收涂层的断面示意图。

图中：1-金属基体材料、2-过渡层、3-目标涂层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步地描述：

如图1所示，一种制备太阳能选择性吸收涂层的新工艺，包括如下步骤：1）准备原材料，原材料包括低熔点金属组分和其它组分，并且低熔点金属组分和其它组分都为纳米级粉体状；2）将低熔点金属组分和其它组分混合均匀，之后加入中性粘合剂制成膏体；3）将膏体均匀涂覆到金属基体材料1上，加热金属基体材料1，当加热温度超过低熔点金属组分熔点15-20℃时，保温，使低熔点金属组分充分熔化，从而将其它组分溶解或融入；同时，熔化的低熔点金属组分与金属基体材料1发生冶金反应，形成一层过渡层2并与金属基体材料1紧密结合；4）反应完成后，进行冷却，使金属基体材料1表面形成致密氧化物薄膜，当冷却至室温时，即得到目标涂层3。

具体实施时，原材料中低熔点金属组分和其它组分的质量比为3:1-1:3；中性粘合剂的加入量以将各种组分与金属基体材料粘接为宜，但中性粘合剂的加入质量不得超过原材料总体质量的3%。所述的低熔点金属组分为Al、Zn、Sn，所述的其它组分为Mo、W、V、Ti、Ni、Cr、WC、Co，所述的中性粘合剂为凡士林、松香。

为更好地理解本发明，下面再结合一个具体的实施例1对本发明工艺做进一步地阐述。但本发明所要求保护的技术方案并不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

利用本发明工艺制备CrAlO中高温太阳能选择性吸收涂层：

该涂层具有如图1所示的结构：金属基体材料1、过渡层2和目标涂层3—即CrAlO中高温太阳能选择性吸收涂层。其中Cr与Al的物质的量比为1:1。

金属基体材料1选择301不锈钢。

将微米级Cr粉和Al粉按物质的量比1:1混合均匀，加入少许中性粘结剂制成膏体。

将CrAl膏体涂抹在金属基体材料1上，缓慢加热金属基体材料1到680℃，在680℃下保温6小时，之后缓慢冷却至室温，最后即可得到目标涂层——CrAlO中高温太阳能选择性吸收涂层3。

制得的CrAlO中高温太阳能选择性吸收涂层3的测试结果如表1所示：

表1

指标	CrAlO涂层
		吸收率	0.88
发射率	0.28

Claims

1.一种制备太阳能选择性吸收涂层的新工艺，其特征在于，包括如下步骤：1）准备原材料，原材料包括低熔点金属组分和其它组分，并且低熔点金属组分和其它组分都为纳米级粉体状；所述的低熔点金属组分为Al、Zn、Sn，所述的其它组分为Mo、W、V、Ti、Ni、Cr、WC、Co；2）将低熔点金属组分和其它组分混合均匀，之后加入中性粘合剂制成膏体；3）将膏体均匀涂覆到金属基体材料（1）上，加热金属基体材料（1），当加热温度超过低熔点金属组分熔点15-20℃时，保温，使低熔点金属组分充分熔化，从而将其它组分溶解或融入；同时，熔化的低熔点金属组分与金属基体材料（1）发生冶金反应，形成一层过渡层（2）并与金属基体材料（1）紧密结合；4）反应完成后，进行冷却，使金属基体材料（1）表面形成致密氧化物薄膜，当冷却至室温时，即得到目标涂层（3）。

2.根据权利要求1所述的制备太阳能选择性吸收涂层的新工艺，其特征在于：原材料中低熔点金属组分和其它组分的质量比为3:1-1:3；中性粘合剂的加入量以将各种组分与金属基体材料（1）粘接为宜，但中性粘合剂的加入质量不得超过原材料总体质量的3%。

3.根据权利要求1所述的制备太阳能选择性吸收涂层的新工艺，其特征在于：所述的中性粘合剂为凡士林、松香。