CN109338298B - 一种二硼化钛-二氧化钛基高温太阳能吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

一种二硼化钛-二氧化钛基高温太阳能吸收涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种二硼化钛‑二氧化钛基高温太阳能吸收涂层及其制备方法。所述的高温太阳能吸收涂层沉积在太阳能集热元件基底上，从基底表面向上依次包括红外反射层、吸收层和减反射层，红外反射层由金属钨薄膜组成，吸收层由二硼化钛和二氧化钛的复合陶瓷薄膜组成，减反射层由氧化铝组成。本发明的涂层具有优异的光学性能和良好的热稳定性能，制备工艺简单，适合于工业化生产与应用。

Description

一种二硼化钛-二氧化钛基高温太阳能吸收涂层及其制备 方法
技术领域
本发明属于太阳能热发电和真空镀膜技术领域，具体涉及一种太阳能功能薄膜，尤其涉及一种二硼化钛-二氧化钛基高温太阳能吸收涂层及其制备方法。
背景技术
太阳能吸收涂层在太阳光谱可见光到近红外范围(0.3-2.5 μm)内具有高的吸收，同时在红外波段(2.5-50 μm)具有较低的发射率，在高温工况下(大于500 oC)能有效地将太阳能转化为热能，是槽式太阳能热发电技术的关键所在。
中国专利CN201310306881.5披露了一种吸收层由含硼化合物构成的太阳能中高温选择性吸收涂层及其制备方法。该涂层在基材表面由底部到顶部依次包括红外高反射层、第一吸收层、第二吸收层和减反射层，所述第一吸收层、第二吸收层由使用物理汽相沉积制备的含硼化合物渐变组分构成，所述含硼化合物为金属硼化物、金属氮硼化物、金属氧硼化物或金属氮氧硼化物。
中国专利CN201610824620.6披露了一种基于难熔金属硼化物的高温光谱选择性吸收涂层及制备方法。该太阳能吸收涂层在基板上设有红外反射层，在红外反射层上顺序设有光谱主吸收层、光谱辅吸收层和减反射层，其特征在于所述的吸收层以具有本征光谱选择吸收特性和极为优异高温稳定性的难熔金属硼化物（如TaB2、HfB2和ZrB2等）膜为光谱能量吸收主体、通过难熔金属硼化物与Al2O3或SiO2陶瓷介质双向陶瓷协同增效，提高涂层热稳定性能；而双吸收层干涉型膜系结构设计，极大地提高了涂层的光谱选择吸收特性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中的缺点基于提供一种二硼化钛-二氧化钛基高温太阳能选择性吸收涂层。
本发明的另一目的为提供上述二硼化钛-二氧化钛基高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法。
为解决本发明的技术问题采用如下技术方案：
一种二硼化钛-二氧化钛基高温太阳能吸收涂层，该涂层自基底表面向上依次为红外反射层、吸收层和减反射层，所述的红外反射层为金属钨W, 所述吸收层为二硼化钛TiB2和二氧化钛TiO2的复合陶瓷，所述复合陶瓷吸收层中二硼化钛和二氧化钛均为非晶态，所述二硼化钛-二氧化钛复合陶瓷吸收层是由直流磁控溅射二硼化钛和部分氧化所得，其中二硼化钛部分氧化为二氧化钛，所述减反射层为氧化铝Al2O3。
所述红外反射层为金属W薄膜，金属W薄膜厚度为200-500纳米。
所述吸收层为二硼化钛TiB2和二氧化钛TiO2的复合陶瓷，吸收层厚度为40-100纳米。
所述减反射层为非晶态，其厚度为40-100纳米。
所述的基底为不锈钢或镍基合金，且其表面的粗糙度为2-6纳米。
上述二硼化钛-二氧化钛基高温太阳能吸收涂层的制备方法，按照以下步骤进行：
（1）红外反射层的制备：以99.9%的金属钨作为靶材，将真空室预抽本底真空至1.5×10-6-6.0×10-6 Torr, 采用直流磁控溅射技术, 钨靶材的溅射功率密度为1-4 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-80 sccm，开始在吸热体基底不锈钢或镍基合金上沉积钨薄膜，其厚度为200-500 nm；
（2）吸收层的制备：采用纯度99.99%的二硼化钛作为磁控溅射靶材, 利用直流磁控溅射技术，其中二硼化钛靶材的溅射功率密度为4-10 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-80 sccm，开始在红外反射层上沉积二硼化钛，其厚度为40-100 nm；
（3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为靶材，调节Al2O3靶材的溅射功率密度为4-8 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-80 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为40-100 nm。溅射过程中，红外反射层、吸收层和减反射层的制备过程中，基底温度均为100-250 oC。
本发明的太阳能选择性吸收涂层在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率≥0.90，发射率≤0.12；在高真空度下，经500oC长时间保温后，涂层的吸收率和发射率没有明显的变化。
本发明所涉及的吸收涂层以二硼化钛和二氧化钛复合陶瓷作为吸收层，其中二硼化钛和二氧化钛均为非晶态，二氧化钛的存在提升了涂层的光谱选择特性。本发明的涂层具有高的吸收率，低的发射率和良好的热稳定性能。另外，本发明涂层结构简单，没有掺杂，从而简化了工艺，操作方便，缩短生产周期，降低成本，本发明在太阳能热利用和热发电领域具有广阔的实用价值和应用前景。
附图说明
图1 为本发明二硼化钛-二氧化钛基高温太阳能选择性吸收涂层的结构图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种二硼化钛-二氧化钛基高温太阳能吸收涂层的制备方法，按照以下步骤进行：
（1）红外反射层的制备：以表面粗糙度为2纳米的不锈钢为基底，99.9%的金属钨作为靶材，将真空室预抽本底真空至1.5×10-6 Torr, 采用直流磁控溅射技术, 调整钨靶材的溅射功率密度为1W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20 sccm，开始在吸热体基底不锈钢上沉积钨薄膜，其厚度为200 nm；溅射过程中，基底温度为100 oC。
（2）吸收层的制备：采用纯度99.99%的二硼化钛作为磁控溅射靶材, 利用直流磁控溅射技术，调整二硼化钛靶材的溅射功率密度为4 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20sccm，开始在红外反射层上沉积二硼化钛，其厚度为40 nm；溅射过程中，基底温度为100 oC。
（3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为靶材，调节Al2O3靶材的溅射功率密度为4 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为40 nm。溅射过程中，基底温度为100 oC。
上述方法制备的二硼化钛-二氧化钛基高温太阳能吸收涂层，该涂层自基底表面向上依次为红外反射层、吸收层和减反射层，所述基底为表面粗糙度为2纳米的不锈钢，所述红外反射层为金属W薄膜，金属W薄膜厚度为200纳米。所述吸收层为二硼化钛TiB2和二氧化钛TiO2的复合陶瓷，吸收层厚度为40纳米，二硼化钛和二氧化钛均为非晶态，所述二硼化钛-二氧化钛复合陶瓷吸收层是由直流磁控溅射二硼化钛和部分氧化所得，其中二硼化钛部分氧化为二氧化钛。所述吸收层为二硼化钛TiB2和二氧化钛TiO2的复合陶瓷，所述减反射层为非晶态的氧化铝Al2O3，其厚度为40纳米。
该太阳能吸收涂层的光学性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为0.91，发射率为0.12；在高真空度下，经500℃ 长时间保温后，其吸收率为0.90，法向发射率为0.10。
实施例2
一种二硼化钛-二氧化钛基高温太阳能吸收涂层的制备方法，按照以下步骤进行：
（1）红外反射层的制备：以表面粗糙度为6纳米的镍基合金为基底，99.9%的金属钨作为靶材，将真空室预抽本底真空至6.0×10-6 Torr, 采用直流磁控溅射技术, 调整钨靶材的溅射功率密度为4 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为80 sccm，开始在吸热体基底镍基合金上沉积钨薄膜，其厚度为500 nm；溅射过程中，基底温度为250 oC。
（2）吸收层的制备：采用纯度99.99%的二硼化钛作为磁控溅射靶材, 利用直流磁控溅射技术，调整二硼化钛靶材的溅射功率密度为10 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为80 sccm，开始在红外反射层上沉积二硼化钛，其厚度为100 nm；溅射过程中，基底温度为250 oC。
（3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为靶材，调节Al2O3靶材的溅射功率密度为8 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为80 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为100 nm。溅射过程中，基底温度为250 oC。
上述方法制备的二硼化钛-二氧化钛基高温太阳能吸收涂层，该涂层自基底表面向上依次为红外反射层、吸收层和减反射层，所述基底为表面粗糙度为6纳米的镍基合金，所述红外反射层为金属W薄膜，金属W薄膜厚度为500纳米。所述吸收层为二硼化钛TiB2和二氧化钛TiO2的复合陶瓷，吸收层厚度为100纳米，二硼化钛和二氧化钛均为非晶态，所述二硼化钛-二氧化钛复合陶瓷吸收层是由直流磁控溅射二硼化钛所得，其中二硼化钛部分氧化为二氧化钛。所述吸收层为二硼化钛和二氧化钛的复合陶瓷，所述减反射层为非晶态的氧化铝Al2O3，其厚度为100纳米。
该太阳能选择性吸收涂层的光学性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为0.90，发射率为0.10；在高真空度下，经500℃ 长时间保温后，其吸收率为0.91，法向发射率为0.10。
实施例3
一种二硼化钛-二氧化钛基高温太阳能吸收涂层的制备方法，按照以下步骤进行：
（1）红外反射层的制备：以表面粗糙度为3纳米的不锈钢为基底，99.9%的金属钨作为靶材，将真空室预抽本底真空4.0×10-6 Torr, 采用直流磁控溅射技术, 调整钨靶材的溅射功率密度为2.8 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为40 sccm，开始在吸热体基底不锈钢或镍基合金上沉积钨薄膜，其厚度为350 nm；溅射过程中，基底温度为200 oC。
（2）吸收层的制备：采用纯度99.99%的二硼化钛作为磁控溅射靶材, 利用直流磁控溅射技术，调整二硼化钛靶材的溅射功率密度为6.5 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为40 sccm，开始在红外反射层上沉积二硼化钛，其厚度为93 nm；溅射过程中，基底温度为200 oC。
（3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为靶材，调节Al2O3靶材的溅射功率密度为5.5 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为40 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为48 nm。溅射过程中，基底温度为200 oC。
上述方法制备的二硼化钛-二氧化钛基高温太阳能吸收涂层，该涂层自基底表面向上依次为红外反射层、吸收层和减反射层，所述基底为表面粗糙度为3纳米的不锈钢，所述红外反射层为金属W薄膜，金属W薄膜厚度为350纳米。所述吸收层为二硼化钛TiB2和二氧化钛TiO2的复合陶瓷，吸收层厚度为93纳米，二硼化钛和二氧化钛均为非晶态，所述二硼化钛-二氧化复合陶瓷钛吸收层是由直流磁控溅射二硼化钛所得，其中二硼化钛部分氧化为二氧化钛。所述吸收层为二硼化钛和二氧化钛的复合陶瓷，所述减反射层为非晶态的氧化铝Al2O3，其厚度为48纳米。
该太阳能选择性吸收涂层的光学性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为0.94，发射率为0.09；在高真空度下，经500℃ 长时间保温后，其吸收率为0.94，法向发射率为0.11。

Claims (7)

1.一种二硼化钛-二氧化钛基高温太阳能吸收涂层，其特征在于：该涂层自基底表面向上依次为红外反射层、吸收层和减反射层，所述红外反射层为金属钨W, 所述吸收层为二硼化钛TiB2和二氧化钛TiO2的复合陶瓷，所述复合陶瓷吸收层中二硼化钛和二氧化钛均为非晶态，所述二硼化钛-二氧化钛复合陶瓷吸收层是由直流磁控溅射二硼化钛所得，其中二硼化钛部分氧化为二氧化钛，所述减反射层为氧化铝Al2O3。
2.根据权利要求1所述的一种二硼化钛-二氧化钛基高温太阳能吸收涂层，其特征在于：所述红外反射层为金属W薄膜，金属W薄膜厚度为200-500纳米。
3.根据权利要求1或2所述的一种二硼化钛-二氧化钛基高温太阳能吸收涂层，其特征在于：所述吸收层为二硼化钛TiB2和二氧化钛TiO2的复合陶瓷，吸收层厚度为40-100纳米。
4.根据权利要求3所述的一种二硼化钛-二氧化钛基高温太阳能吸收涂层，其特征在于：所述减反射层氧化铝为非晶态，其厚度为40-100纳米。
5.根据权利要求1或4所述的一种二硼化钛-二氧化钛基高温太阳能吸收涂层，其特征在于：所述的基底为不锈钢或镍基合金，且其表面的粗糙度为2-6纳米。
6.上述任一权利要求所述的一种二硼化钛-二氧化钛基高温太阳能吸收涂层的制备方法，其特征在于按照以下步骤进行：
（1）红外反射层的制备：以99.9%的金属钨作为靶材，将真空室预抽本底真空至1.5×10-6-6.0×10-6 Torr, 采用直流磁控溅射技术,钨靶材的溅射功率密度为1-4 W/cm2，溅射沉积时氩气的进气量为20-80 sccm，开始在吸热体基底不锈钢或镍基合金上沉积钨薄膜，其厚度为200-500 nm；
（2）吸收层的制备：采用纯度99.99%的二硼化钛作为磁控溅射靶材, 利用直流磁控溅射技术，其中二硼化钛靶材的溅射功率密度为4-10 W/cm2，溅射沉积时氩气的进气量为20-80 sccm，开始在红外反射层上沉积二硼化钛，其厚度为40-100 nm；
（3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为靶材，调节Al2O3靶材的溅射功率密度为4-8 W/cm2，溅射沉积时氩气的进气量为20-80 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为40-100 nm，溅射过程中。
7.根据权利要求6所述的一种二硼化钛-二氧化钛基高温太阳能吸收涂层的制备方法，其特征在于：红外反射层、吸收层和减反射层的制备过程中，基底不锈钢或镍基合金的温度均为100-250℃ 。
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