CN104567047B - 采用氮化铝钛材料的集热元件抗氢阻隔层及制备方法 - Google Patents

采用氮化铝钛材料的集热元件抗氢阻隔层及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种采用氮化铝钛材料的集热元件抗氢阻隔层及制备方法。太阳能集热元件包含钢管和与其同心安装的玻璃管，所述钢管的外壁和/或内壁上设有抗氢阻隔层，所述抗氢阻隔层的材料为氮化铝钛(TixAlyN)。该抗氢阻隔层可以采用反应磁控共溅射工艺、钛铝烧结靶反应磁控溅射工艺制备，或者采用高能脉冲磁控溅射工艺(HIPIMS)制备。本发明的抗氢气阻隔层可以有效地阻隔氢气，并具有很强的稳定性，将氮化铝钛材料镀在钢管的内壁上时，还可以减少导热流体流动的摩擦阻力。

Description

采用氮化铝钛材料的集热元件抗氢阻隔层及制备方法
技术领域
本发明属于太阳能技术、材料技术领域，涉及一种采用TiAlN材料的太阳能集热元件(HCE)的抗氢气阻隔层及其制备方法。
背景技术
集热元件(HCE)是太阳能槽式热发电集热器的组成部件。槽式集热器通过用线性抛物面反射镜将太阳光聚集到一条焦线上。在这条焦线的位置放置集热元件，将太阳辐射转化成热。
集热元件已经实现商业化，典型结构包含一支钢管和与其同心安装的玻璃管。在钢管上镀选择性涂层以提高效率，玻璃管(硼硅玻璃管)镀减反射涂层。玻璃管和钢管之间形成一个环形空间。为了进一步提高效率，这个环形空间于两端密封并抽真空。
现有技术中环形空间的密封是通过在钢管和硼硅玻璃管之间安装膨胀装置来实现的。膨胀装置通过金属连接环，一端与玻璃管相连，另一端与钢管相连。有了膨胀装置，钢管和玻璃管之间的线膨胀量差异问题得以解决。
但在该密封的真空空间内仍存留有少量气体，由于传导和对流引起的热损取决于气压，在1至100Pa之间，热损相差很大，尤其是对于氢气等气体。氢气可以通过钢管管壁扩散进入真空空间。虽然可以加阻隔层减少扩散，或加吸气剂来吸收这些气体，但是仍然会有大量氢气进入真空空间，在使用期三十年内需要大量吸气剂。目前已知的阻隔层，如铝的氧化物，对氢气的阻隔效果不足；采用一层很薄的铝可以有效地阻隔氢气，但铝在高温下很容易氧化，所以短时间内就会失效。
发明内容
本发明针对上述问题，主要目的是提供一种新的抗氢气阻隔层，镀在(不锈)钢管的内壁和/或外壁上，可以有效地阻隔氢气，并具有很强的稳定性。
本发明采用的技术方案如下：
一种抗氢阻隔层，其材料为氮化铝钛(TixAlyN)。
进一步地，所述抗氢阻隔层的厚度为至少200nm。
进一步地，所述抗氢阻隔层中添加有合金化元素铬和硅。
一种太阳能集热元件(或者是太阳能线性聚光集热器)，包含钢管和与其同心安装的玻璃管，所述钢管的外壁和/或内壁上设有抗氢阻隔层，所述抗氢阻隔层的材料为氮化铝钛(TixAlyN)。该太阳能集热元件进一步可以用于太阳能光热发电电站。
进一步地，所述抗氢阻隔层的厚度为至少200nm。
进一步地，所述抗氢阻隔层外依次设有红外反射层、抗扩散阻隔层、吸收层和减反射层。
可选地，所述抗氢阻隔层和所述红外反射层之间设有抗扩散阻隔层。
进一步地，所述钢管的外壁和/或内壁上通过基材本身扩散生长出金属氧化物或氮化物膜层，所述抗氢阻隔层设于所述金属氧化物或氮化物膜层上。
进一步地，所述吸收层包含两层，靠近所述抗扩散阻隔层的一层为高金属含量陶瓷层或陶瓷层掺入半导体材料；另一层为金属含量比前一层更低的陶瓷层或陶瓷层掺入比前一层更少的半导体(从而折射率更低)。
上述抗氢阻隔层的方法可以采用反应磁控共溅射工艺、钛铝烧结靶反应磁控溅射工艺、高能脉冲磁控溅射工艺(HIPIMS)等方法制备。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果如下：
1)采用氮化铝钛材料作为抗氢气阻隔层，镀在(不锈)钢管的内壁和/或外壁上，可以有效地阻隔氢气，并具有很强的稳定性；
2)将氮化铝钛材料镀在(不锈)钢管的内壁上时，还可以减少导热流体流动的摩擦阻力。
附图说明
图1是实施例中采用氮化铝钛层的集热原件选择性涂层的示意图。
图2是实施例中制备的抗氢阻隔层的SEM图像。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。
目前已知的阻隔层，如铝的氧化物，对氢气的阻隔效果不足；采用一层很薄的铝可以有效地阻隔氢气，但铝在高温下很容易氧化，所以短时间内就会失效。本发明提供了一阵新的抗氢气阻隔层，采用氮化铝钛(TixAlyN)材料，镀在(不锈)钢管的内壁和/或外壁上。
氮化铝钛是一种抗磨损涂层，其在高温下非常稳定，甚至在空气中，只有在800摄氏度以上才会分解。加入铬或硅等元素能进一步增强其稳定性。
本发明将这种涂层作为抗氢阻隔层，能极大地减少氢渗透。在奥氏体不锈钢上测得其具有100至1000倍的阻隔效果。在钢管内壁镀制时，装置涂层还可以降低导热流体的摩擦阻力。目前聚焦太阳能(CSP)槽式发电站生产电能中10％用于在宽阔的太阳能场地里输送导热流体。摩擦阻力降低从而大幅减少了寄生能量的消耗，提高电站电能输出。
这种采用TixAlyN材料的抗氢阻隔层可以采用反应磁控共溅射工艺、钛铝烧结靶反应磁控溅射工艺、高能脉冲磁控溅射工艺等方法制备。
1)采用反应磁控共溅射工艺或钛铝烧结靶反应磁控溅射工艺将这种涂层镀制在钢管内壁和/或外壁上。
可以在氩气和氮气气氛下用钛铝靶反应磁控溅射制备，混合的钛铝靶是两种成分均匀混合烧结而成的靶材。也可以在氩气和氮气气氛下用钛靶、铝靶反应磁控共溅射制备。这里采用的是纯的钛靶和铝靶是同时溅射，即“共溅射”。要达到降低氢渗透的效果，需要厚度达到200nm以上。当钛铝烧结靶材中铝的原子百分比为40％、钛的原子百分比为60％时达到最佳。然而，当铝的原子百分比在10％至90％之间时，都能得到比较好的效果。如前所述，添加合金化元素，如铬和硅，可以进一步提高其高温稳定性。
2)采用高能脉冲磁控溅射工艺(HIPIMS)将这种涂层镀制在钢管内壁和/或外壁上。采用高能脉冲磁控溅射工艺可以减少柱状生长，降低高厚度膜层中的应力。
图1是采用上述TixAlyN层的集热原件选择性涂层一个实施例的示意图，其包括：
钢管或钢管管壁9，作为基材；
可选择的通过基材本身扩散生长出来的金属氧化物或氮化物膜层1，其作用是阻隔基材中的成分向选择性吸收膜层中扩散，也阻隔选择性吸收膜层中的成分向基材扩散；
一层很厚的AlxTiyN层(即抗氢气阻隔层)2，至少200nm厚；
可选择的抗扩散阻隔层3，用来防止IR层扩散到AlxTiyN中(不过，应注意AlxTiyN是非常好的抗扩散阻隔层，所以这一层可以省略)；
选择性膜层的红外反射层(IR层)4，其作用是反射红外辐射，得到低发射值；
抗扩散阻隔层5，防止IR层转移进入陶瓷层；
高金属含量陶瓷层或陶瓷层掺入半导体材料6；
低金属含量陶瓷层或陶瓷层掺入半导体材料7，比材料层6的金属含量或半导体含量低，从而折射率更低，上述两层6和7共同构成吸收层，其作用是吸收可见光，并在红外波段尽可能透明；
减反射层8，其作用是降低反射。
上述各材料层中，抗扩散阻隔层可以采用化学或电化学方法制备，例如用高温扩散工艺或电化学工艺制得的镍、金属或半导体氧化物、金属或半导体氮化物等材料；也可以采用真空镀膜技术制备；红外反射层和吸收层可采用磁控溅射工艺制备；减反射层可以采用反应磁控溅射工艺制备。
实验数据补充：
图2是上述制备的抗氢阻隔层的SEM图像。上述制备的抗氢阻隔层减少氢渗透的性能数据如表1所示。
表1.抗氢阻隔层性能数据
Al含量(％) J(mol cm-2s-1)，稳定状态下 膜层中平均氢含量(ppm)
0 (7.1±0.5)×10-11 10
20 (4.6±0.5)×10-11 5
40 (1.2±0.5)×10-11 2
70 (1.5±0.5)×10-11 2.5
无抗氢阻隔层样品 (8.1±0.5)×10-11
上述试验结果说明，当Al含量为40％时，所述抗氢阻隔层减少氢渗透的效果最佳。
尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。本发明不应局限于本说明书最佳实施例和附图所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种太阳能集热元件，包含钢管和与其同心安装的玻璃管，其特征在于，所述钢管的外壁和/或内壁上设有抗氢阻隔层，所述抗氢阻隔层的材料为氮化铝钛，所述抗氢阻隔层的厚度为至少200nm，所述氮化铝钛是采用高能脉冲磁控溅射工艺制备；所述抗氢阻隔层外设有红外反射层，所述抗氢阻隔层和所述红外反射层之间设有抗扩散阻隔层；所述钢管的外壁和/或内壁上通过基材本身扩散生长出金属氧化物或氮化物膜层，所述抗氢阻隔层设于所述金属氧化物或氮化物膜层上。
2.如权利要求1所述的太阳能集热元件，其特征在于：所述红外反射层外依次设有抗扩散阻隔层、吸收层和减反射层。
3.如权利要求2所述的太阳能集热元件，其特征在于：所述吸收层包含两层，靠近所述抗扩散阻隔层的一层为高金属含量陶瓷层或掺入半导体材料的陶瓷层；另一层为金属含量或半导体含量比前一层更低的陶瓷层。
4.一种包含权利要求1至3中任一项所述太阳能集热元件的太阳能光热发电电站。
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