CN105444443A - 太阳能选择性吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种中低温可应用于真空或大气环境的太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，所述涂层由基体表面从内到外依次设置的粘结层(1)、红外反射层(2)、扩散阻挡层(3)、高金属陶瓷吸收层(4)、低金属陶瓷吸收层(5)和减反层(6)组成。本发明的太阳能选择性吸收涂层具有较好的光学性能，高的吸收率和低的发射率，并具有良好的耐中低温和耐候性能，可应用于中低温真空及大气环境。

Description

太阳能选择性吸收涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于光热太阳能领域，具体地说，涉及一种中低温可应用于真空或大气环境的太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。
背景技术
太阳能选择性吸收涂层在太阳辐射光谱中的可见-近红外波长范围内具有高的吸收能力，对红外波长辐射有高的反射比(根据基耳霍夫定律，即具有低的发射率)。最常见的是干涉型吸收涂层，该类涂层从上到下组成可以分为：减反射层、双层吸收层、高金属红外反射层。如传统的AlN/AlN-Al/Al多层结构，但此结构由于耐温性和耐腐蚀性能差，只能应用于低温真空环境，材料本身的特性限制了其使用范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种中低温可应用于真空或大气环境的太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。
为了实现本发明目的，本发明的太阳能选择性吸收涂层，所述涂层由基体表面从内到外依次设置的粘结层1、红外反射层2、扩散阻挡层3、高金属陶瓷吸收层4、低金属陶瓷吸收层5和减反层6组成。
本发明中涉及的基体为抛光不锈钢片(管)、铝片(管)、或玻璃片(管)。
所述粘结层1位于基体与红外反射层2之间，所述粘结层由不锈钢SS、Mo或Si3N4组成，粘结层的厚度为10-30nm。
所述红外反射层2位于粘结层1与扩散阻挡层3之间，由具有高红外反射的金属材料制成，红外反射层的厚度为80-300nm。所述具有高红外反射的金属材料包括但不限于Cu、Ag或Al等。
所述扩散阻挡层3位于红外反射层2与高金属吸收层4之间，扩散阻挡层的材料为Si3N4，扩散阻挡层的厚度为10-30nm。
所述高金属陶瓷吸收层4位于扩散阻挡层3与低金属陶瓷吸收层5之间，高金属陶瓷吸收层中金属体积分数为40％-60％，高金属陶瓷吸收层厚度为30-150nm。
所述低金属陶瓷吸收层5位于高金属陶瓷吸收层4与减反层6之间，低金属陶瓷吸收层中金属体积分数为20％-40％，低金属陶瓷吸收层厚度为30-150nm。
其中，高金属陶瓷吸收层、低金属陶瓷吸收层中可使用的金属材料包括但不限于SS、Mo、NiCr等。
所述减反层6位于低金属陶瓷吸收层5的外层，减反层由Si3N4或SiO2，或者两者混合组成，减反层的厚度为50-100nm。
本发明还提供所述太阳能选择性吸收涂层的制备方法，所述方法为：在5×10-3Pa以下的真空条件下，任选在惰性气体保护下，在基体表面由内到外依次镀制粘结层1、红外反射层2、扩散阻挡层3、高金属陶瓷吸收层4、低金属陶瓷吸收层5和减反层6。
本发明具有以下优点：
(一)该涂层具有较好的光学性能，高的吸收率和较低的发射率。
(二)该涂层具有良好的耐中低温性能。
(三)该涂层具有良好的耐耐候性能。
(四)该涂层可以应用于中低温真空及大气环境。
附图说明
图1为本发明太阳能选择性吸收涂层的结构示意图。
图2为本发明制备例3中制备的太阳能选择性吸收涂层的反射曲线。
图3为本发明实施例中制备的太阳能选择性吸收涂层中减反层的透过曲线。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所用原料均为市售商品。
实施例太阳能选择性吸收涂层及其制备方法
本实施例中制备的太阳能选择性吸收涂层结构从基体表面开始由内到外依次设置粘结层1、红外反射层2、扩散阻挡层3、高金属陶瓷吸收层4、低金属陶瓷吸收层5和减反层6(图1)。
基体选择抛光不锈钢片(管)、铝片(管)、或玻璃片(管)。
1为粘结层，采用不锈钢SS作为粘结层。
2为红外反射层，采用金属Cu制成。
3为扩散阻挡层，采用Si3N4制成。
4为高金属陶瓷吸收层，采用高SS(不锈钢)含量的SS和Si3N4混合金属陶瓷材料制成，其中，通过调节SS靶的电流或功率控制SS的体积分数为40-60％。
5为低金属陶瓷吸收层，采用低SS(不锈钢)含量的SS和Si3N4混合金属陶瓷材料制成，其中，通过调节SS靶的电流或功率控制SS的体积分数为20％-40％。
6为减反层，采用Si3N4和SiO2的混合材料制成。
制备涂层采用磁控溅射镀膜机，共四个靶材，分别为SS、Cu、两个Si靶。其中，SS和Cu采用直流电源，两个Si靶采用中频电源。
制备过程：
1)基体，抛光不锈钢片(管)、铝片(管)、或玻璃片(管)。
2)首先将镀膜室真空抽至5×10-3Pa以下，以确保镀膜过程和成膜质量。
3)通入惰性气体Ar，工作压强0.3～0.4Pa，打开不锈钢靶电源，调整电流至功率约4kw，镀制不锈钢SS粘结层，制备厚度为10-30nm。
4)关掉不锈钢靶电源，工作压强仍为0.3～0.4Pa，打开铜靶电源，调整其电流，功率约10～18kw，制备红外反射膜Cu膜，制备厚度为80-300nm。
5)关掉铜靶电源，打开控制双硅靶的中频电源，硅靶功率4～8kw，打开N2，调整通气量，工作压强0.3～0.5Pa，制备Si3N4扩散阻挡层，制备厚度为10-30nm。
6)打开不锈钢靶电源与硅靶共溅射，工作压强0.3～0.5Pa，硅靶功率4～8kw，不锈钢靶功率4～8kw，制备不锈钢氮化硅高金属陶瓷吸收层，即(H)SS-Si3N4，制备厚度为30-150nm。
7)调整不锈钢靶电源为2～5kw，制备不锈钢氮化硅低金属陶瓷吸收层，即(L)SS-Si3N4，制备厚度为30-150nm。
8)关掉不锈钢靶电源，打开O2，调整氮气和氧气比例1-7:1，工作压强0.3～0.5Pa，制备氮氧化硅，即Si3N4和SiO2的混合物，作为减反层，制备厚度为50-100nm。
9)观察沉积膜层，控制镀膜时间，结束镀膜。
结果：
制备例1：上述制备过程6)和7)中，不锈钢靶功率分别为7kw和4.8kw。测试结果：吸收率94％，发射率8％。
制备例2：上述制备过程6)和7)中，不锈钢靶功率分别为6kw和3.4kw。测试结果：吸收率95％，发射率7％。
制备例3：上述制备过程6)和7)中，不锈钢靶功率分别为5kw和2.6kw。测试结果：吸收率96％，发射率7％。涂层的反射曲线如图2所示。
涂层光学性能及耐候耐温性能测试结果表明：
1、本实施例中制备的太阳能选择性吸收涂层可以达到较高的吸收率96％，较低的发射率7％。
2、单独制备的减反层具有较高的透过率，大于90％(图3)。
3、在大气条件下，经300℃保温3小时热处理后，涂层性能无衰减现象。
4、经蒸汽和盐雾实验，结果涂层表面无明显腐蚀现象。
5、本涂层可用于中低温大气条件下。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述涂层由基体表面从内到外依次设置的粘结层(1)、红外反射层(2)、扩散阻挡层(3)、高金属陶瓷吸收层(4)、低金属陶瓷吸收层(5)和减反层(6)组成。
2.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述粘结层(1)位于基体与红外反射层(2)之间，所述粘结层由不锈钢SS、Mo或Si3N4组成，粘结层的厚度为10-30nm。
3.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述红外反射层(2)位于粘结层(1)与扩散阻挡层(3)之间，由具有高红外反射的金属材料制成，红外反射层的厚度为80-300nm。
4.根据权利要求3所述的涂层，其特征在于，所述具有高红外反射的金属材料包括但不限于Cu、Ag或Al。
5.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述扩散阻挡层(3)位于红外反射层(2)与高金属吸收层(4)之间，扩散阻挡层的材料为Si3N4，扩散阻挡层的厚度为10-30nm。
6.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述高金属陶瓷吸收层(4)位于扩散阻挡层(3)与低金属陶瓷吸收层(5)之间，高金属陶瓷吸收层中金属体积分数为40％-60％，高金属陶瓷吸收层厚度为30-150nm。
7.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述低金属陶瓷吸收层(5)位于高金属陶瓷吸收层(4)与减反层(6)之间，低金属陶瓷吸收层中金属体积分数为20％-40％，低金属陶瓷吸收层厚度为30-150nm。
8.根据权利要求6或7所述的涂层，其特征在于，所述金属包括但不限于SS、Mo、NiCr。
9.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述减反层(6)位于低金属陶瓷吸收层(5)的外层，减反层由Si3N4或SiO2，或者两者混合组成，减反层的厚度为50-100nm。
10.根据权利要求1-9任一项所述涂层的制备方法，其特征在于，在5×10-3Pa以下的真空条件下，任选在惰性气体保护下，在基体表面由内到外依次镀制粘结层(1)、红外反射层(2)、扩散阻挡层(3)、高金属陶瓷吸收层(4)、低金属陶瓷吸收层(5)和减反层(6)。
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