CN108796460A - 一种太阳能选择性吸附层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能选择性吸附层的制备方法，属于新能源材料制备技术领域。本发明先以1400目的砂纸为基底，用多巴胺溶液浸泡后再浸入硝酸铝溶液中，最后再用硼氢化钠溶液浸泡，得到改性砂纸，将改性砂纸作为衬底，铜铬合金作为靶材，通过直流反应磁控溅射向衬底表面沉积铜铬非全黑氧化层，沉积完成后高温煅烧去除衬底，即得一种太阳能选择性吸附层的制备方法，本发明制得的太阳能选择性吸附层对太阳能吸收性好同时能量散失也慢，能有效储存吸收的太阳能，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能选择性吸附层的制备方法，属于新能源材料制备技术领域。
背景技术
太阳能在光热方面的利用，是人类向科学发展、可持续发展迈进的必然之路。中国的太阳能集热利用处在真空管太阳能集热器与平板太阳能集热器共生共存的应用局面，应用领域正从生活用热水向采暖、干燥、制冷、蒸汽方面发展。随着太阳能热利用产业的不断发展，太阳能集热器的效率越来越引起业界的重视与研究。
太阳光辐射的能量主要分布在波长λ为0.25～2.5μm的光谱区内，即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2～100μm的光谱区中，亦即主要在远红外区。为了能够充分利用太阳能，人们设计出了选择性吸收的太阳能涂层材料，这种材料必须满足以下两个条件：一是太阳光谱内的吸光程度高，即有尽可能高的吸收α；二是辐射波长范围内有尽可能低的辐射损失，即尽可能低的发射率ε。
为了提高集热器的效率，人们在不断地探索热吸收材料，即热吸收涂层的制备及吸热性能的提高。太阳能选择性热吸收涂层的研究与生产，是解决材料热吸收效率有效而可行的方法，使涂层的光学性能在太阳光谱可见光区域和近红外区域最大限度地吸收其能量，而又保证所吸收的能量不会快速损失。
但是目前常见的太阳能选择性吸附层大多是对太阳能吸收性好同时能量散失也快，不能有效储存吸收的太阳能，因此，发明一种吸收性好，又能减少能量散失的新型太阳能选择性吸附层对新能源材料制备技术领域具有积极的意义。
发明内容
本发明主要解决的技术问题，针对目前常见的太阳能选择性吸附层大多是对太阳能吸收性好同时能量散失也快，不能有效储存吸收的太阳能的缺陷，提供了一种太阳能选择性吸附层的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种太阳能选择性吸附层的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）取一张1400目的砂纸放入质量分数为5%的多巴胺溶液中浸渍1～2h后取出，得到预改性砂纸，将预改性砂纸转入质量分数为30%的硝酸铝溶液中，放入超声振荡仪中，超声振荡浸渍，得到载铝砂纸；
（2）将上述载铝砂纸浸入质量分数为30%的硼氢化钠溶液中，静置浸泡1～2h后取出，得到改性砂纸，将铜粉和铬粉装入石英坩埚中，再将坩埚移入高温熔炼炉，在氩气保护状态下，加热熔融并注入刚玉模具中，待其自然冷却后拆模，得铜铬合金靶材；
（3）将上述的改性砂纸作为衬底和上述制得的铜铬合金靶材固定在直流反应磁控溅射装置的相应支架上，调整改性砂纸衬底和铜铬合金靶材位置，使两者之间距离保持在4～6cm之间，降下真空罩，对生长室内部抽真空；
（4）当真空度达到预定值后，分三路以10mL/min的相同速率通入工作气体，一路为氩气，一路为氮气，另一路为氧气，直至生长室中压强达到0.5～0.7Pa后，进行磁控溅射，得到均匀溅射膜，待其自然冷却至室温后，得到预制物；
（5）将上述预制物砂纸面朝下悬挂在马弗炉中，烧结，烧结结束后取出并自然冷却至室温后用无水乙醇和去离子水分别冲洗3～5次，放入烘箱中，干燥后即得太阳能选择性吸附层。
步骤（1）中所述的超声振荡浸渍的频率为25～30kHz，超声振荡浸渍的时间为15～20min。
步骤（2）中所述的铜粉和铬粉的质量比为2:1，加热熔融的温度为1900～2000℃，刚玉模具的直径为5cm，厚度为5～10mm。
步骤（3）中所述的抽真空的真空度达到8×10-4～9×10-3Pa。
步骤（4）中所述的磁控溅射的功率为2～3kW，磁控溅射的时间为30～40min。
步骤（5）中所述的烧结的温度为700～800℃，烧结的时间为1～2h，干燥的温度为105～110℃，干燥的时间为1～2h。
本发明的有益效果：
本发明先以1400目的砂纸为基底，用多巴胺溶液浸泡后再浸入硝酸铝溶液中，最后再用硼氢化钠溶液浸泡，得到改性砂纸，将改性砂纸作为衬底，铜铬合金作为靶材，通过直流反应磁控溅射向衬底表面沉积铜铬非全黑氧化层，沉积完成后高温煅烧去除衬底，即得一种太阳能选择性吸附层的制备方法，本发明以1400目的砂纸为基底，利用砂纸表面的突触微粒为模版，先用多巴胺溶液浸泡，在水中溶解氧的作用下于砂纸表面形成一层致密的聚多巴胺膜，利用聚多巴胺膜的金属离子络合性将铝离子附着在砂纸表面，再经强还原性的硼氢化钠还原形成铝层附着在砂纸表面，以此改性砂纸为衬底，在衬底表面沉积铜铬非全黑氧化层，这层非全黑氧化层表面对太阳光是黑的，对红外光是白的，它保留了普通黑表面吸收太阳光的能力，同时弥补了普通黑表面热损失的漏洞，在具有高太阳能吸收能力的同时，又能避免太阳能的散失，从而将吸收的太阳能储存起来，另一方面本发明最后将沉积物煅烧，在700～800℃下使得铝层以及砂纸熔化脱除，得到以1400目砂纸突触为模版制得的吸收层，这层吸收层由于1400目砂纸突触的作用，其表面也分布着1400目的孔隙，这些孔隙的孔径在5μm左右，这些孔隙的存在提高了吸附层的粗糙度，这里的粗糙度和太阳辐射波长相比较大，由于表面微孔的反射，可以提高对太阳光的吸收能力，而这些粗糙度与红外热辐射波长相比又较小，其热辐射的能力降低，对于小颗粒表面也是如此，颗粒层能吸收比其颗粒小的波长，而对更长的波长则是透明的，即透过率高，辐射率低，再一次提高了吸收层的吸热能力同时降低了吸收层的散热性，起到储存能量的作用，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
取一张1400目的砂纸放入质量分数为5%的多巴胺溶液中浸渍1～2h后取出，得到预改性砂纸，将预改性砂纸转入质量分数为30%的硝酸铝溶液中，放入超声振荡仪中，以25～30kHz的频率超声振荡浸渍15～20min，得到载铝砂纸；将载铝砂纸浸入质量分数为30%的硼氢化钠溶液中，静置浸泡1～2h后取出，得到改性砂纸，将铜粉和铬粉按质量比为2:1混合后装入石英坩埚中，再将坩埚移入高温熔炼炉，在氩气保护状态下，加热升温至1900～2000℃，待混合粉末呈熔融状态时将其注入直径为5cm，厚度为5～10mm的刚玉模具中，待其自然冷却后拆模，得铜铬合金靶材；将的改性砂纸作为衬底和上述制得的铜铬合金靶材固定在直流反应磁控溅射装置的相应支架上，调整改性砂纸衬底和铜铬合金靶材位置，使两者之间距离保持在4～6cm之间，降下真空罩，对生长室内部抽真空，直至生长室内部真空度达到8×10-4～9×10-4Pa；当真空度达到预定值后，分三路以10mL/min的相同速率通入工作气体，一路为氩气，一路为氮气，另一路为氧气，直至生长室中压强达到0.5～0.7Pa后，以2～3kW的功率进行磁控溅射30～40min，得到均匀溅射膜，待其自然冷却至室温后，得到预制物；将预制物砂纸面朝下悬挂在马弗炉中，加热升温至700～800℃，保温烧结1～2h，烧结结束后取出并自然冷却至室温后用无水乙醇和去离子水分别冲洗3～5次，放入烘箱中，在105～110℃下干燥1～2h后即得太阳能选择性吸附层。
取一张1400目的砂纸放入质量分数为5%的多巴胺溶液中浸渍1h后取出，得到预改性砂纸，将预改性砂纸转入质量分数为30%的硝酸铝溶液中，放入超声振荡仪中，以25kHz的频率超声振荡浸渍15min，得到载铝砂纸；将载铝砂纸浸入质量分数为30%的硼氢化钠溶液中，静置浸泡1h后取出，得到改性砂纸，将铜粉和铬粉按质量比为2:1混合后装入石英坩埚中，再将坩埚移入高温熔炼炉，在氩气保护状态下，加热升温至1900℃，待混合粉末呈熔融状态时将其注入直径为5cm，厚度为5mm的刚玉模具中，待其自然冷却后拆模，得铜铬合金靶材；将的改性砂纸作为衬底和上述制得的铜铬合金靶材固定在直流反应磁控溅射装置的相应支架上，调整改性砂纸衬底和铜铬合金靶材位置，使两者之间距离保持在4cm之间，降下真空罩，对生长室内部抽真空，直至生长室内部真空度达到8×10-4Pa；当真空度达到预定值后，分三路以10mL/min的相同速率通入工作气体，一路为氩气，一路为氮气，另一路为氧气，直至生长室中压强达到0.5Pa后，以2kW的功率进行磁控溅射30min，得到均匀溅射膜，待其自然冷却至室温后，得到预制物；将预制物砂纸面朝下悬挂在马弗炉中，加热升温至700℃，保温烧结1h，烧结结束后取出并自然冷却至室温后用无水乙醇和去离子水分别冲洗3次，放入烘箱中，在105℃下干燥1h后即得太阳能选择性吸附层。
取一张1400目的砂纸放入质量分数为5%的多巴胺溶液中浸渍2h后取出，得到预改性砂纸，将预改性砂纸转入质量分数为30%的硝酸铝溶液中，放入超声振荡仪中，以28kHz的频率超声振荡浸渍18min，得到载铝砂纸；将载铝砂纸浸入质量分数为30%的硼氢化钠溶液中，静置浸泡2h后取出，得到改性砂纸，将铜粉和铬粉按质量比为2:1混合后装入石英坩埚中，再将坩埚移入高温熔炼炉，在氩气保护状态下，加热升温至1950℃，待混合粉末呈熔融状态时将其注入直径为5cm，厚度为8mm的刚玉模具中，待其自然冷却后拆模，得铜铬合金靶材；将的改性砂纸作为衬底和上述制得的铜铬合金靶材固定在直流反应磁控溅射装置的相应支架上，调整改性砂纸衬底和铜铬合金靶材位置，使两者之间距离保持在5cm之间，降下真空罩，对生长室内部抽真空，直至生长室内部真空度达到8×10-4Pa；当真空度达到预定值后，分三路以10mL/min的相同速率通入工作气体，一路为氩气，一路为氮气，另一路为氧气，直至生长室中压强达到0.6Pa后，以2kW的功率进行磁控溅射30～40min，得到均匀溅射膜，待其自然冷却至室温后，得到预制物；将预制物砂纸面朝下悬挂在马弗炉中，加热升温至750℃，保温烧结2h，烧结结束后取出并自然冷却至室温后用无水乙醇和去离子水分别冲洗4次，放入烘箱中，在108℃下干燥1h后即得太阳能选择性吸附层。
取一张1400目的砂纸放入质量分数为5%的多巴胺溶液中浸渍2h后取出，得到预改性砂纸，将预改性砂纸转入质量分数为30%的硝酸铝溶液中，放入超声振荡仪中，以30kHz的频率超声振荡浸渍20min，得到载铝砂纸；将载铝砂纸浸入质量分数为30%的硼氢化钠溶液中，静置浸泡2h后取出，得到改性砂纸，将铜粉和铬粉按质量比为2:1混合后装入石英坩埚中，再将坩埚移入高温熔炼炉，在氩气保护状态下，加热升温至2000℃，待混合粉末呈熔融状态时将其注入直径为5cm，厚度为10mm的刚玉模具中，待其自然冷却后拆模，得铜铬合金靶材；将的改性砂纸作为衬底和上述制得的铜铬合金靶材固定在直流反应磁控溅射装置的相应支架上，调整改性砂纸衬底和铜铬合金靶材位置，使两者之间距离保持在6cm之间，降下真空罩，对生长室内部抽真空，直至生长室内部真空度达到9×10-4Pa；当真空度达到预定值后，分三路以10mL/min的相同速率通入工作气体，一路为氩气，一路为氮气，另一路为氧气，直至生长室中压强达到0.7Pa后，以3kW的功率进行磁控溅射40min，得到均匀溅射膜，待其自然冷却至室温后，得到预制物；将预制物砂纸面朝下悬挂在马弗炉中，加热升温至800℃，保温烧结2h，烧结结束后取出并自然冷却至室温后用无水乙醇和去离子水分别冲洗5次，放入烘箱中，在110℃下干燥2h后即得太阳能选择性吸附层。
对照例以昆明某公司生产的太阳能铬铜氧化选择吸附层作为对照例
对本发明制得的太阳能选择性吸附层和对照例中的太阳能铬铜氧化选择吸附层进行性能检测，检测结果如表1所示：
表1 性能检测结果
| 检测项目 | 实例1 | 实例2 | 实例3 | 对照例 |
| 太阳能吸收比（%） | 95 | 96 | 98 | 80 |
| 太阳能发射比（%） | 1.2 | 1.0 | 0.8 | 5.0 |
由上表中的检测数据可以看出，本发明制得的太阳能选择性吸附层对太阳能吸收性好同时能量散失也慢，能有效储存吸收的太阳能，具有广阔的应用前景。
Claims (6)
1.一种太阳能选择性吸附层的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）取一张1400目的砂纸放入质量分数为5%的多巴胺溶液中浸渍1～2h后取出，得到预改性砂纸，将预改性砂纸转入质量分数为30%的硝酸铝溶液中，放入超声振荡仪中，超声振荡浸渍，得到载铝砂纸；
（2）将上述载铝砂纸浸入质量分数为30%的硼氢化钠溶液中，静置浸泡1～2h后取出，得到改性砂纸，将铜粉和铬粉装入石英坩埚中，再将坩埚移入高温熔炼炉，在氩气保护状态下，加热熔融并注入刚玉模具中，待其自然冷却后拆模，得铜铬合金靶材；
（3）将上述的改性砂纸作为衬底和上述制得的铜铬合金靶材固定在直流反应磁控溅射装置的相应支架上，调整改性砂纸衬底和铜铬合金靶材位置，使两者之间距离保持在4～6cm之间，降下真空罩，对生长室内部抽真空；
（4）当真空度达到预定值后，分三路以10mL/min的相同速率通入工作气体，一路为氩气，一路为氮气，另一路为氧气，直至生长室中压强达到0.5～0.7Pa后，进行磁控溅射，得到均匀溅射膜，待其自然冷却至室温后，得到预制物；
（5）将上述预制物砂纸面朝下悬挂在马弗炉中，烧结，烧结结束后取出并自然冷却至室温后用无水乙醇和去离子水分别冲洗3～5次，放入烘箱中，干燥后即得太阳能选择性吸附层。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能选择性吸附层的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的超声振荡浸渍的频率为25～30kHz，超声振荡浸渍的时间为15～20min。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能选择性吸附层的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述的铜粉和铬粉的质量比为2:1，加热熔融的温度为1900～2000℃，刚玉模具的直径为5cm，厚度为5～10mm。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能选择性吸附层的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述的抽真空的真空度达到8×10-4～9×10-4Pa。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能选择性吸附层的制备方法，其特征在于：步骤（4）中所述的磁控溅射的功率为2～3kW，磁控溅射的时间为30～40min。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能选择性吸附层的制备方法，其特征在于：步骤（5）中所述的烧结的温度为700～800℃，烧结的时间为1～2h，干燥的温度为105～110℃，干燥的时间为1～2h。
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