CN105667009A - 一种Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层及其制备方法 - Google Patents

一种Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层及其制备方法，该阻氢涂层可用于不锈钢结构件的氢渗透阻挡，特别是太阳能高温真空集热管内管不锈钢管的氢渗透阻挡。该复合梯度阻氢涂层由不锈钢管和施加在不锈钢管内表面的Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合涂层构成。Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合涂层由金属-有机化学气相沉积法制备，通过先后沉积氧化铬、氧化铝和氧化钇涂层，获得厚度约为0.1～20μm多层Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层。该阻氢涂层与基体结合强度高、制备工艺简单且成本低廉，阻氢性能提高300倍以上。

Description

一种Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层及其制备方法，该涂层可应用于高温真空集热管的阻氢渗透。
背景技术
太阳能集热管中载热流体的老化会产生游离的氢，氢借助渗透作用穿过中央管，到达中央管和套管之间的真空环形空间，造成环形空间压强的升高，进而导致集热管热损失的增大。为保证管间环形隙的真空，必须采取相应的措施降低真空环形空间的氢气量。为此，研究人员提出了采用阻氢涂层阻止氢渗透，从而有效控制集热管真空环形空间的压强，减少集热管的热损耗。
最早出现的阻氢涂层是CN1971168公开的采用Y2O3作为阻氢材料，可以很大程度的阻止氢的渗透，使吸收管具有更少的热损失。但该类阻氢材料其热膨胀系数与基体存在较大失配，受到一定热冲击后，涂层与基体间产生较大热应力，导致涂层与基体分离，严重影响涂层的阻氢性能，为解决上述问题研究人员寻找其它与基体结合良好、热膨胀系数适配小的阻氢涂层作为过渡层。Al2O3由于其结构比较稳定，热膨胀系数与基体较为匹配，在制备过程中能够形成α-Al2O3，对涂层性能有很大帮助，其绝缘电阻率比较高，阻氢性能经验证也比较好，成为阻氢涂层中最常规的材料。而Cr2O3本身热膨胀系数与奥氏体不锈钢基体最为匹配，但其阻氢性能不如Al2O3。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种与基体结合良好、制备工艺简单、成本低廉的复合梯度阻氢涂层材料。为了克服上述Y2O3、Al2O3、Cr2O3三种涂层自身的缺点，本发明采用氧化铬涂层作为过渡涂层，氧化铝和氧化钇涂层作为阻氢涂层，制备多层复合梯度阻氢涂层，从而提高阻氢性能。
一种多层Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层，该复合梯度阻氢涂层由不锈钢管和施加在不锈钢管内表面的Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合涂层构成。
优选的，Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合涂层的材料为Y2O3、Al2O3和Cr2O3，由Y2O3涂层、Al2O3涂层和Cr2O3涂层组成，总层数3层。Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合涂层结构中，最内层为Cr2O3涂层，中间层为Al2O3涂层，最外层为Y2O3涂层。
优选的，Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合涂层的总厚度在0.1～20μm之间。其中，Cr2O3涂层厚度约为30nm～3μm；Al2O3涂层厚度约为50nm～12μm；Y2O3涂层厚度约为20nm～5μm。
优选的，所述不锈钢管为奥氏体不锈钢或马氏体不锈钢。
本发明还提供了上述Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层在高温真空集热管中的应用，即上述不锈钢管为高温真空集热管的不锈钢中央管；在高温真空集热管的不锈钢中央管的内表面施加Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合涂层。所述高温真空集热管由外壁具有光谱选择性吸收涂层的不锈钢中央管和外层玻璃套管组成。
本发明针对目前高温真空集热管内表面难以制备高性能、均匀稳定的阻氢涂层，提供了一种比较简单的Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层及其制备方法，即在高温真空集热管内表面首次采用三个蒸发源分层制备Y2O3/Al2O3/Cr2O3多层复合梯度阻氢涂层。
本发明采用金属-有机化学气相沉积技术在高温真空集热管内表面制备Y2O3/Al2O3/Cr2O3多层复合梯度阻氢涂层，该复合梯度涂层能有效降低H2在不锈钢的渗透率，从而很好的达到阻氢渗透的目的。
一种Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)将高温真空集热管不锈钢管内表面抛光至粗糙度为0.1～2μm；
(2)采用金属-有机化学气相沉积技术在不锈钢管内表面制备Cr2O3涂层；
(3)采用金属-有机化学气相沉积技术在不锈钢管内表面的Cr2O3涂层上制备Al2O3涂层；
(4)采用金属-有机化学气相沉积技术在不锈钢管内表面的Al2O3涂层上制备Y2O3涂层；
(5)最终获得厚度约为0.1-20μm的多层Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层。
Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合涂层中，Cr2O3涂层厚度约为30nm～3μm；Al2O3涂层厚度约为50nm～12μm；Y2O3涂层厚度约为20nm～5μm。
制备Cr2O3涂层和Al2O3涂层的具体工艺参数为：反应源温度为50-200℃；载气流量为40-500ml/min，载气为氢气。
制备Y2O3涂层的具体工艺参数为：反应源温度为50-200℃；载气流量为10-300ml/min，载气为氢气。
本发明的原理是成长薄膜时，主要将载流气体通过有机金属反应源的容器时，将反应源的饱和蒸气带至反应腔中与其它反应气体混合，然后在被加热的基板上面发生化学反应促成薄膜的成长。
本发明和现有技术成果相比，具有以下优点和突出性成果：首次在高温真空集热管内壁实现氧化钇、氧化铝和氧化铬混合梯度阻氢涂层的制备，而且该方法形成的Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层具有厚度可控，致密性高，成分较为均匀和阻氢性能优异的特点。
本发明Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合涂层由金属-有机化学气相沉积法制备，通过先后沉积氧化铬、氧化铝和氧化钇涂层，获得厚度约为0.1～20μm多层Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层；该阻氢涂层可用于不锈钢结构件的氢渗透阻挡，特别是太阳能高温真空集热管内管不锈钢管的氢渗透阻挡。而且该阻氢涂层与基体结合强度高、制备工艺简单且成本低廉，阻氢性能提高300倍以上。
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1是涂有多层Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层的高温真空集热管结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，为涂有Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层的高温真空集热管结构示意图，从内到外为氧化钇涂层1、氧化铝涂层2、氧化铬涂层3、不锈钢管4、吸热涂层5、真空区域6和外玻管7。其中，Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层由高温真空集热管的不锈钢管4、氧化铬涂层3、氧化铝涂层2和氧化钇涂层1复合而成。高温真空集热管主要由外壁具有光谱选择性吸收涂层的不锈钢中央管和外层玻璃套管组成，不锈钢管和外玻管之间形成环形真空。不锈钢管为奥氏体不锈钢或马氏体不锈钢。
实施例1
制备厚度为3.5μm的高温真空集热管用Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层：
(1)将不锈钢管内表面抛光至粗糙度1μm；
(2)采用金属-有机化学气相沉积技术在高温真空集热管内表面制备Cr2O3涂层；具体工艺参数为：反应源温度120℃；载气流量100ml/min，Cr2O3涂层厚度约为0.5μm；
(3)采用金属-有机化学气相沉积技术在高温真空集热管内表面Cr2O3涂层上，制备Al2O3涂层；具体工艺参数为：反应源温度150℃；载气流量200ml/min，Al2O3涂层厚度约为2μm；
(4)采用金属-有机化学气相沉积技术在高温真空集热管内表面Al2O3涂层上，制备Y2O3涂层；具体工艺参数为：反应源温度100℃；载气流量为100ml/min，Y2O3涂层厚度约为1μm。
(5)最终获得厚度约为3.5μm的多层Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层。
测定多层Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层在400℃的H2渗透率，阻氢性能提高300倍。
实施例2
制备厚度为6.5μm的高温真空集热管用Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层：
(1)将不锈钢管内表面抛光至粗糙度0.5μm；
(2)采用金属-有机化学气相沉积技术在高温真空集热管内表面制备Cr2O3涂层；具体工艺参数为：反应源温度150℃；载气流量150ml/min，Cr2O3涂层厚度约为1μm；
(3)采用金属-有机化学气相沉积技术在高温真空集热管内表面Cr2O3涂层上，制备Al2O3涂层；具体工艺参数为：反应源温度180℃；载气流量200ml/min，Al2O3涂层厚度约为4μm；
(4)采用金属-有机化学气相沉积技术在高温真空集热管内表面Al2O3涂层上，制备Y2O3涂层；具体工艺参数为：反应源温度120℃；载气流量150ml/min，Y2O3涂层厚度约为1.5μm。
(5)最终获得厚度约为6.5μm的多层Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层。
测定多层Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层在400℃的H2渗透率，阻氢性能提高400倍。
实施例3
制备厚度为8.8μm的高温真空集热管用Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层：
(1)将不锈钢管内表面抛光至粗糙度0.3μm；
(2)采用金属-有机化学气相沉积技术在高温真空集热管内表面制备Cr2O3涂层；具体工艺参数为：反应源温度150℃；载气流量150ml/min，Cr2O3涂层厚度约为0.8μm；
(3)采用金属-有机化学气相沉积技术在高温真空集热管内表面，Cr2O3涂层上，制备Al2O3涂层；具体工艺参数为：反应源温度200℃；载气流量200ml/min，Al2O3涂层厚度约为6μm；
(4)采用金属-有机化学气相沉积技术在高温真空集热管内表面，Al2O3涂层上，制备Y2O3涂层；具体工艺参数为：反应源温度160℃；载气流量80ml/min，Y2O3涂层厚度约为2μm。
(5)最终获得厚度约为8.8μm的多层Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层。
测定多层Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层在400℃的H2渗透率，阻氢性能提高460倍。
本发明制备的阻氢涂层可用于不锈钢结构件的氢渗透阻挡，特别是太阳能高温真空集热管内管不锈钢管的氢渗透阻挡，而且该阻氢涂层与基体结合强度高，阻氢性能提高300倍以上。

Claims (10)

1.一种Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层，其特征在于：由不锈钢管和施加在不锈钢管内表面的Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合涂层构成。
2.根据权利要求1所述的Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层，其特征在于：所述的Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合涂层由Y2O3涂层、Al2O3涂层和Cr2O3涂层组成。
3.根据权利要求2所述的Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层，其特征在于：所述的Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合涂层结构中，最内层为Cr2O3涂层，中间层为Al2O3涂层，最外层为Y2O3涂层。
4.根据权利要求3所述的Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层，其特征在于：所述的Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合涂层的厚度为0.1～20μm。
5.根据权利要求4所述的Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层，其特征在于：Cr2O3涂层厚度为30nm～3μm；Al2O3涂层厚度为50nm～12μm；Y2O3涂层厚度为20nm～5μm。
6.根据权利要求1所述的Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层，其特征在于：所述不锈钢管为奥氏体不锈钢或马氏体不锈钢。
7.权利要求1-6中任一项所述的Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层在高温真空集热管中的应用。
8.根据权利要求7所述的Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层在高温真空集热管中的应用，其特征在于：在高温真空集热管的不锈钢中央管的内表面施加Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合涂层。
9.根据权利要求8所述的Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层在高温真空集热管中的应用，其特征在于：所述高温真空集热管由外壁具有光谱选择性吸收涂层的不锈钢中央管和外层玻璃套管组成。
10.一种Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)将高温真空集热管不锈钢管内表面抛光至粗糙度为0.1～2μm；
(2)采用金属-有机化学气相沉积技术在不锈钢管内表面制备Cr2O3涂层；
(3)采用金属-有机化学气相沉积技术在不锈钢管内表面的Cr2O3涂层上制备Al2O3涂层；
(4)采用金属-有机化学气相沉积技术在不锈钢管内表面的Al2O3涂层上制备Y2O3涂层；
(5)获得厚度为0.1-20μm的多层Y2O3/Al2O3/Cr2O3复合梯度阻氢涂层。
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