CN105177497A - 一种干涉型太阳能选择性吸热涂层 - Google Patents

一种干涉型太阳能选择性吸热涂层 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种干涉型太阳能选择性吸热涂层，涂布在基底之上，包括由透明介质层和化合材料吸收层周期性交替沉积形成的复合吸收层；所述化合材料吸收层的材料选自铬的氮化物、铬的碳化物、钛的氮化物、钛的碳化物、钛铬合金的氮化物、钛铬合金的碳化物中的一种。该化合材料吸收层与传统纯金属吸收层相比，具有更好的物理和化学稳定性，且在太阳光谱区域具有非常强的消光能力，可显著提升涂层的耐候性。

Description

一种干涉型太阳能选择性吸热涂层
技术领域
本发明属于太阳能热利用的技术领域，特别涉及利用于平板太阳能集热器上的干涉型太阳能选择性吸热涂层。
背景技术
在平板太阳能集热器的领域中，目前使用最为广泛的是金属-陶瓷型选择性吸收涂层，它主要依靠薄膜中金属纳米粒子来实现对太阳光的吸收，如大家熟知的Al2O3:W或Mo吸热涂层、过金属氧化物或氮氧化物如CrOx:Cr或NiCrOyNx:NiCr等吸热涂层。但这类涂层虽然制备简单，但如果长期暴露在大气中使用，尤其是酸碱性较强的空气中使用，涂层的耐候性并不理想，光学性能和吸热效果会大幅衰减并最终失效，这主要是由于涂层中的金属纳米粒子具有较高的化学活性而发生了氧化所致。
与之相比，科研人员开发了干涉型选择性吸热涂层，其具有更好的稳定性，它一般是由金属单质层和透明介质层周期性交替组成。如中国专利CN102305487中所披露的涂层，由透明介质层和金属钼、钨、铬、钒、铌、钽、锆、铁、钴、镍或他们的合金以及他们的铜、银、金、镁、铝的合金中的一种组成。如中国专利CN102734962中公开了一种太阳能选择性吸收涂层，其干涉吸收层是由介质层和铝合金层组成的复合结构。但是该类型的吸收涂层均利用金属单质或合金层作为吸收层，吸收层长期暴露在大气中使用后，也会导致金属层氧化，从而致使吸热涂层性能衰减。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中干涉型选择性吸热涂层暴露在空气中易被氧化、稳定性不佳、吸热性能衰减的问题，提供一种稳定性和耐候性更佳的干涉型太阳能选择性吸热涂层。本发明的具体技术方案如下：
一种干涉型太阳能选择性吸热涂层，涂布在基底之上，包括由透明介质层和化合材料吸收层周期性交替沉积形成的复合吸收层；所述化合材料吸收层的材料选自铬的氮化物、铬的碳化物、钛的氮化物、钛的碳化物、钛铬合金的氮化物、钛铬合金的碳化物中的一种；所述复合吸收层中的化合材料吸收层不少于两层；所述复合吸收层与空气接触的最外层为透明介质层。
在所述基底与复合吸收层之间优选地还设有金属粘结层，所述金属粘结层为铬、钛、镍铬合金中的一种。
具体地，所述复合吸收层中，最接近基底或金属粘结层的可为化合材料吸收层，也可为透明介质层。
具体地，所述透明介质层为铝的氧化物、铝的氮化物、铝的氮氧化物、硅的氧化物、硅的氮化物、硅的氮氧化物、硅铝合金的氧化物、硅铝合金的氮化物、硅铝合金的氮氧化物中的一种或几种。
具体地，所述的干涉型太阳能选择性吸热涂层，其化合材料吸收层的制备方法为：采用金属铬靶、金属钛靶或钛铬合金靶在氮气、甲烷或乙炔气氛中通过反应溅射沉积制备而成。
本发明采用化合材料吸收层替代纯金属层，该化合材料吸收层为铬的氮化物、铬的碳化物、钛的氮化物、钛的碳化物、钛铬合金的氮化物、钛铬合金的碳化物中的一种。与传统纯金属层相比又具有更好的物理和化学稳定性，它可在各种大气环境中长期稳定工作，同时因为该类化合物在太阳光谱区域具有非常强的消光能力，较传统纯金属单质作为吸收层相比，比如氮化铬可在高达400℃条件下长期稳定工作，而纯的金属铬在该温度下工作很快会因为氧的作用而发生氧化，因此本发明中采用铬的氮化物、铬的碳化物、钛的氮化物、钛的碳化物、钛铬合金的氮化物、钛铬合金的碳化物中的一种作为化合吸收层可显著提升涂层耐候性。本发明的干涉型太阳能选择性吸热涂层吸收率超过93％，热发射率低于0.045。
附图说明
图1为实施例1的太阳能吸热涂层剖面结构示意图。
附图标记：1-基底；2-金属粘结层；3-透明介质层；4-化合材料吸收层
图2为实施例1中的涂层经过500℃老化前后的性能。
图3为纯金属铬与介质层氮化硅交替沉积得到吸热涂层的经过500℃老化前后的性能。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。本发明中，以高吸收率和低发射率为优化目标优化各层的厚度。以下实施例仅用于说明本发明，而非限制本发明。
实施例1
选择铝作为吸热涂层的基底，通过磁控溅射的方法，从基底向上分别制备5nm铬，40nm氮化硅，25nm氮化铬，10nm氮化硅，15nm氮化铬和60nm氮化硅。其中氮化硅通过硅靶在氮气环境中反应溅射制备，而氮化铬通过金属铬靶在氮气环境中反应溅射制备。从而得到性能优异的蓝色吸热涂层，经过测试，该涂层吸收率为0.952，热发射率为0.04。
如图1所示，所述铝层为基底1，铬层为金属粘结层2，氮化硅层为透明介质层3，氮化铬层为化合材料吸收层4。
如图2和图3所示，本发明中的涂层与以金属铬与氮化硅交替沉积制备的涂层在经过500℃老化处理75小时后，前者的吸收率和发射率都非常的稳定，而后者的吸收率从0.933下降到0.910，更重要的发射率显著增加，从之前的0.066增加到0.112，性能下降显著。这是因为后者在老化过程中，涂层中的金属铬发生氧化，涂层变质所致。而本发明中的涂层采用具有高的消光系数和高稳定性的氮化铬，性能非常的稳定。
实施例2
选择阳极氧化进行表面处理后的铝作为吸热涂层的基底，通过磁控溅射的方法，从基底向上分别制备5nm钛层，40nm氮化硅，35nm碳化钛，23nm氮化硅，23nm碳化钛和65nm氮化硅。其中氮化硅通过硅靶在氮气环境中反应溅射制备，而氮化钛通过金属钛靶在氮气环境中反应溅射制备。得到的吸热涂层为蓝色，经过测试，吸收率为0.946，热发射率为0.045。
实施例3
选择铜作为吸热涂层的基底，从基底向上分别制备4nm钛，26nm氮化钛，30nm氮化铝，20nm氮化钛，30nm氮化铝，15nm氮化钛，24nm氮化铝，10nm氮化钛，55nm氮化铝。其中氮化铝通过铝靶在氮气环境中反应溅射制备，而氮化钛通过金属钛靶在氮气环境中反应溅射制备。该图层经过测试，吸收率为0.942％，热发射率为0.038。
实施例4
选择在挤出成型的薄PP型材表面上沉积有铝的复合基底来承载吸热涂层，从基底向上分别制备8nm镍铬，38nm碳钛铬，54nm氮氧化硅，16nm碳化钛铬，80nm氮氧化硅。其中氮氧化硅通过硅靶在氮氧气氛中反应溅射制备，而碳化钛铬通过金属钛铬靶在甲烷环境中反应溅射制备。该涂层经过测试，吸收率为0.949，热发射率为0.054。
实施例5
选择铜作为基底，从基底向上分别制备7nm铬，28nm氧化硅，25nm氮化铬，30nm氧化硅，20nm氮化铬，43nm氧化硅，12nm氮化铬，58nm氮化硅。其中氧化硅通过硅靶在氧气环境中反应溅射制备，而氮化铬通过金属铬靶在氮气环境中反应溅射制备。该涂层经过测试，吸收率为0.939，热发射率为0.035。
实施例6
选择铝作为吸热涂层的基底，通过磁控溅射的方法，从基底向上分别制备6nm铬，24nm氮化铝，26nm碳化铬，30nm氮氧化铝，23nm碳化铬，40nm氧化铝，14nm碳化铬，56nm氧化硅。其中氮化铝通过铝靶在氮气环境中反应溅射制备，氮氧化铝以铝靶在氮气和氧气的混合气氛中溅射制备，氧化铝以铝靶在氧气氛中反应溅射制备，而碳化铬通过金属铬靶在乙炔环境中反应溅射制备。经过测试，该涂层吸收率为0.956，热发射率为0.046。
实施例7
选择铝作为吸热涂层的基底，通过磁控溅射的方法，从基底向上分别制备4nm镍铬，25nm氮化硅铝，20nm碳化钛铬，35nm氮氧化硅铝，20nm碳化钛铬，43nm氧化硅铝，16nm碳化钛铬，50nm氧化硅。其中氮化硅铝通过铝靶在氮气环境中反应溅射制备，氮氧化硅铝以硅铝靶在氮气和氧气的混合气氛中溅射制备，氧化硅铝以硅铝靶在氧气氛中反应溅射制备，氧化硅以硅靶在氧气氛中反应溅射制备，而碳化钛铬通过金属钛铬靶在乙炔环境中反应溅射制备。经过测试，该涂层吸收率为0.946，热发射率为0.042。
实施例8
选择铝作为吸热涂层的基底，通过磁控溅射的方法，从基底向上分别制备5nm镍铬，35nm氮化硅，26nm氮化钛铬，15nm氮化硅，20nm氮化钛铬和66nm氮化硅。其中氮化硅通过硅靶在氮气环境中反应溅射制备，而氮化钛铬通过金属钛铬合金靶在氮气环境中反应溅射制备。从而得到性能优异的蓝色吸热涂层，经过测试，该涂层吸收率为0.951，热发射率为0.051。

Claims (5)

1.一种干涉型太阳能选择性吸热涂层，涂布在基底之上，其特征在于，包括由透明介质层和化合材料吸收层周期性交替沉积形成的复合吸收层；所述化合材料吸收层的材料选自铬的氮化物、铬的碳化物、钛的氮化物、钛的碳化物、钛铬合金的氮化物、钛铬合金的碳化物中的一种；所述复合吸收层中的化合材料吸收层不少于两层；所述复合吸收层与空气接触的最外层为透明介质层。
2.如权利要求1所述的一种干涉型太阳能选择性吸热涂层，其特征在于，在所述基底与复合吸收层之间还设有金属粘结层。
3.如权利要求2所述的一种干涉型太阳能选择性吸热涂层，其特征在于，所述金属粘结层选自铬或钛、镍铬合金中的一种。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种干涉型太阳能选择性吸热涂层，其特征在于，所述透明介质层选自铝的氧化物、铝的氮化物、铝的氮氧化物、硅的氧化物、硅的氮化物、硅的氮氧化物、硅铝合金的氧化物、硅铝合金的氮化物、硅铝合金的氮氧化物中的一种或几种。
5.如权利要求1-3任一项所述的一种干涉型太阳能选择性吸热涂层，其特征在于，所述化合材料吸收层采取如下方法制备：采用金属铬靶、金属钛靶或钛铬合金靶在氮气、甲烷或乙炔气氛中通过反应溅射沉积制备而成。
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