CN110592533B - 具有防扩散和抗氧化性能的太阳能吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有防扩散和抗氧化性能的太阳能吸收涂层，该涂层由抛光不锈钢片构成的吸热体基底、TiN构成的红外反射层、CrNbTiVZrN构成的主吸收层、CrNbTiVZrNO构成的次吸收层和Al2O3构成的减反射层组成。主吸收层是指采用等摩尔比的金属Cr、Nb、Ti、V、Zr通过熔炼法制备的CrNbTiVZr高熵合金的氮化物；次吸收层是指采用等摩尔比的金属Cr、Nb、Ti、V、Zr通过熔炼法制备的CrNbTiVZr高熵合金的氮氧化物。本发明还公开了该涂层的制备方法。本发明制备工艺简单、成本较低，所制备的涂层在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率为≥0.94，发射率≤0.10；且该涂层在真空600℃具有良好的热稳定性能，适用于太阳能光热高温利用领域。

Description

具有防扩散和抗氧化性能的太阳能吸收涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能光热利用领域，尤其涉及具有防扩散和抗氧化性能的太阳能吸收涂层及其制备方法。
背景技术
太阳能光谱选择性吸收涂层在太阳光谱紫外-可见-近红外波段具有高的吸收，在中远红外波段具有低的发射率。太阳能光热发电属于太阳能的高温利用，其要求太阳能吸收涂层在高温工况下具有良好的长期热稳定性能。高温太阳能吸收涂层是光热发电将太阳能转化为热能的核心材料，其性能对实现高的光热转换效率及电站收益起着至关重要的作用。高温太阳能吸收涂层同样在重质油开采、海水淡化、清洁供暖等领域具有重要的应用价值。金属-电介质体系是太阳能吸收涂层的经典膜系，然而该膜系在高温下易发生金属元素的氧化和扩散，最终导致涂层性能衰减。因此，开发具有防扩散和抗氧化性能的太阳能吸收涂层具有重要的学术和应用价值。
传统合金设计方式主要是以一种或两种元素为主组元，而后加入其它的少量元素来改善合金的组织结构以及所需的相关性能，如铁碳合金、铜合金、铝合金等。随着合金理论的发展，在2004 年，叶均蔚等人提出了一种新型的合金设计理念——高熵合金，引发了关于多组元合金的研究热潮。高熵合金一般被定义为由五个或五个以上的元素按照等原子比或接近于等原子比合金化，其混合熵高于合金的熔化熵，一般形成固溶体的一类合金，这一合金成分设计理念突破了以一种合金元素为基的传统合金设计模式，并且可以通过合金成分优化设计，使高熵合金具有高强度、高硬度、耐高温蠕变、耐高温氧化和耐腐蚀等优异性能。基于高熵合金优异的特性，将其应用于高温太阳能吸收涂层同样具有重要的学术价值和应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有防扩散和抗氧化性能的太阳能吸收涂层。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供该具有防扩散和抗氧化性能的太阳能吸收涂层的制备方法。
为解决上述问题，本发明所述的具有防扩散和抗氧化性能的太阳能吸收涂层，其特征在于：该涂层由抛光不锈钢片构成的吸热体基底、TiN构成的红外反射层、CrNbTiVZrN构成的主吸收层、CrNbTiVZrNO构成的次吸收层和Al2O3构成的减反射层组成；所述主吸收层是指采用等摩尔比的金属Cr、Nb、Ti、V、Zr通过熔炼法制备的CrNbTiVZr高熵合金的氮化物；所述次吸收层是指采用等摩尔比的金属Cr、Nb、Ti、V、Zr通过熔炼法制备的CrNbTiVZr高熵合金的氮氧化物。
所述吸热体基底的粗糙度值为0.5~3 nm。
所述红外反射层的厚度为120~200 nm。
所述主吸收层的厚度为40~80 nm。
所述次吸收层的厚度为35~55 nm。
所述减反射层的厚度为60~95nm。
所述CrNbTiVZr高熵合金是指将等摩尔比的金属Cr、Nb、Ti、V、Zr放入石墨坩埚内，然后将其放入真空熔炼炉并抽真空至4.5×10-6~7.5×10-6 Torr，于2800~3500℃熔融后浇筑成型，经切割、打磨即得。
如上所述的具有防扩散和抗氧化性能的太阳能吸收涂层的制备方法，包括以下步骤：
⑴对吸热体基底进行处理；
⑵在处理后的所述吸热体基底上制备红外反射层：以纯度为99.99%的TiN作为磁控溅射靶材，在氩气气氛中采用直流磁控溅射方法制得；其中工作参数：真空室预抽本底真空至3.0×10-6~6.0×10-6Torr；TiN靶材的溅射功率密度为3.9~7.2 W/m-2，溅射沉积时氩气的进气量为20~55 sccm，沉积TiN厚度为120~200 nm；
⑶在所述红外反射层上制备主吸收层：以纯度为99.9%的CrNbTiVZr高熵合金作为溅射靶材，在氩气与氮气气氛中采用射频反应磁控溅射方法制得；其中工作参数：CrNbTiVZr靶材的溅射功率密度为3.5~7.8W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20~55 sccm，氮气的进气量为2~7sccm，沉积CrNbTiVZrN的厚度为40~80 nm；
⑷在所述主吸收层上制备次吸收层：以纯度为99.9%的CrNbTiVZr高熵合金作为溅射靶材，在氩气和氮气及氧气气氛中采用射频反应磁控溅射方法制得；其中工作参数：CrNbTiVZr靶材的溅射功率密度为3.0~6.0W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20~50sccm，氮气的进气量为2~7sccm，氧气的进气量为2~5sccm，沉积CrNbTiVZrNO厚度为35~55nm；
⑸在所述次吸收层上制备减反射层：以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，在氩气气氛中采用射频磁控溅射方法制得；其中工作参数：Al2O3靶材的溅射功率密度为3~9W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20~55 sccm，沉积厚度为60~95 nm。
所述步骤⑴中吸热体基底的处理是指去除基底抛光不锈钢片表面附着的杂质后，分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗10~20分钟，氮气吹干保存。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明选用等摩尔比的金属Cr、Nb、Ti、V、Zr制成的高熵合金（CrNbTiVZr）的氮化物和氮氧化物组成吸收层，采用氮化钛陶瓷作为红外反射层，使得该涂层具有防扩散和抗氧化特性。同时，将高熵合金（CrNbTiVZr）应用于高温太阳能吸收涂层，极大丰富和拓展了高熵合金的应用领域。
2、本发明所制备的涂层在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率为≥0.94，发射率≤0.10；且该涂层在真空600℃具有良好的热稳定性能。
3、本发明制备工艺简单、成本较低，所制备的涂层适用于太阳能光热高温利用领域。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明的结构图。
具体实施方式
实施例1 如图1所示，具有防扩散和抗氧化性能的太阳能吸收涂层，该涂层由粗糙度值为2.0nm的抛光不锈钢片构成的吸热体基底、厚度为180 nm的TiN构成的红外反射层、厚度为75 nm的CrNbTiVZrN构成的主吸收层、厚度为48 nm的CrNbTiVZrNO构成的次吸收层和厚度为82nm的Al2O3构成的减反射层组成。主吸收层是指采用等摩尔比的金属Cr、Nb、Ti、V、Zr通过熔炼法制备的CrNbTiVZr高熵合金的氮化物；次吸收层是指采用等摩尔比的金属Cr、Nb、Ti、V、Zr通过熔炼法制备的CrNbTiVZr高熵合金的氮氧化物。
其中：CrNbTiVZr高熵合金是指将等摩尔比的金属Cr、Nb、Ti、V、Zr放入石墨坩埚内，然后将其放入真空熔炼炉并抽真空至4.5×10-6~7.5×10-6 Torr，于2800~3500℃熔融后浇筑成型，经切割、打磨即得。
具有防扩散和抗氧化性能的太阳能吸收涂层的制备方法，包括以下步骤：
⑴对吸热体基底进行处理：去除基底抛光不锈钢片表面附着的杂质后，分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗15分钟，氮气吹干保存。
⑵在处理后的吸热体基底上制备红外反射层：以纯度为99.99%的TiN作为磁控溅射靶材，在氩气气氛中采用直流磁控溅射方法制得；其中工作参数：真空室预抽本底真空至4.8×10-6Torr；TiN靶材的溅射功率密度为5.6 W/m-2，溅射沉积时氩气的进气量为35sccm，沉积TiN厚度为180 nm。
⑶在红外反射层上制备主吸收层：以纯度为99.9%的CrNbTiVZr高熵合金作为溅射靶材，在氩气与氮气气氛中采用射频反应磁控溅射方法制得；其中工作参数：CrNbTiVZr靶材的溅射功率密度为6.1W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为35 sccm，氮气的进气量为5sccm，沉积CrNbTiVZrN的厚度为75nm。
⑷在主吸收层上制备次吸收层：以纯度为99.9%的CrNbTiVZr高熵合金作为溅射靶材，在氩气和氮气及氧气气氛中采用射频反应磁控溅射方法制得；其中工作参数：CrNbTiVZr靶材的溅射功率密度为4.5W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为35sccm，氮气的进气量为5sccm，氧气的进气量为3sccm，沉积CrNbTiVZrNO厚度为48nm。
⑸在次吸收层上制备减反射层：以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，在氩气气氛中采用射频磁控溅射方法制得；其中工作参数：Al2O3靶材的溅射功率密度为6W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为35 sccm，沉积厚度为82 nm。
该涂层在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率为0.94，发射率为0.10，其在空气600℃具有良好的热稳定性能。
实施例2 具有防扩散和抗氧化性能的太阳能吸收涂层，该涂层由粗糙度值为0.5nm的抛光不锈钢片构成的吸热体基底、厚度为120 nm的TiN构成的红外反射层、厚度为40nm的CrNbTiVZrN构成的主吸收层、厚度为35 nm的CrNbTiVZrNO构成的次吸收层和厚度为60nm的Al2O3构成的减反射层组成。主吸收层是指采用等摩尔比的金属Cr、Nb、Ti、V、Zr通过熔炼法制备的CrNbTiVZr高熵合金的氮化物；次吸收层是指采用等摩尔比的金属Cr、Nb、Ti、V、Zr通过熔炼法制备的CrNbTiVZr高熵合金的氮氧化物。
其中：CrNbTiVZr高熵合金同实施例1。
具有防扩散和抗氧化性能的太阳能吸收涂层的制备方法，包括以下步骤：
⑴对吸热体基底进行处理：去除基底抛光不锈钢片表面附着的杂质后，分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗10分钟，氮气吹干保存。
⑵在处理后的吸热体基底上制备红外反射层：以纯度为99.99%的TiN作为磁控溅射靶材，在氩气气氛中采用直流磁控溅射方法制得；其中工作参数：真空室预抽本底真空至3.0×10-6Torr；TiN靶材的溅射功率密度为3.9 W/m-2，溅射沉积时氩气的进气量为20sccm，沉积TiN厚度为120 nm。
⑶在红外反射层上制备主吸收层：以纯度为99.9%的CrNbTiVZr高熵合金作为溅射靶材，在氩气与氮气气氛中采用射频反应磁控溅射方法制得；其中工作参数：CrNbTiVZr靶材的溅射功率密度为3.5W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20 sccm，氮气的进气量为2sccm，沉积CrNbTiVZrN的厚度为40 nm。
⑷在主吸收层上制备次吸收层：以纯度为99.9%的CrNbTiVZr高熵合金作为溅射靶材，在氩气和氮气及氧气气氛中采用射频反应磁控溅射方法制得；其中工作参数：CrNbTiVZr靶材的溅射功率密度为3.0W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20sccm，氮气的进气量为2sccm，氧气的进气量为2sccm，沉积CrNbTiVZrNO厚度为35nm。
⑸在次吸收层上制备减反射层：以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，在氩气气氛中采用射频磁控溅射方法制得；其中工作参数：Al2O3靶材的溅射功率密度为3W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20 sccm，沉积厚度为60 nm。
该涂层在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率为0.95，发射率为0.10，其在空气600℃具有良好的热稳定性能。
实施例3 具有防扩散和抗氧化性能的太阳能吸收涂层，该涂层由粗糙度值为3 nm的抛光不锈钢片构成的吸热体基底、厚度为200 nm的TiN构成的红外反射层、厚度为80 nm的CrNbTiVZrN构成的主吸收层、厚度为55 nm的CrNbTiVZrNO构成的次吸收层和厚度为95nm的Al2O3构成的减反射层组成。主吸收层是指采用等摩尔比的金属Cr、Nb、Ti、V、Zr通过熔炼法制备的CrNbTiVZr高熵合金的氮化物；次吸收层是指采用等摩尔比的金属Cr、Nb、Ti、V、Zr通过熔炼法制备的CrNbTiVZr高熵合金的氮氧化物。
其中：CrNbTiVZr高熵合金同实施例1。
具有防扩散和抗氧化性能的太阳能吸收涂层的制备方法，包括以下步骤：
⑴对吸热体基底进行处理：去除基底抛光不锈钢片表面附着的杂质后，分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗20分钟，氮气吹干保存。
⑵在处理后的吸热体基底上制备红外反射层：以纯度为99.99%的TiN作为磁控溅射靶材，在氩气气氛中采用直流磁控溅射方法制得；其中工作参数：真空室预抽本底真空至6.0×10-6Torr；TiN靶材的溅射功率密度为7.2 W/m-2，溅射沉积时氩气的进气量为55sccm，沉积TiN厚度为200 nm。
⑶在红外反射层上制备主吸收层：以纯度为99.9%的CrNbTiVZr高熵合金作为溅射靶材，在氩气与氮气气氛中采用射频反应磁控溅射方法制得；其中工作参数：CrNbTiVZr靶材的溅射功率密度为7.8W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为55 sccm，氮气的进气量为7sccm，沉积CrNbTiVZrN的厚度为80 nm。
⑷在主吸收层上制备次吸收层：以纯度为99.9%的CrNbTiVZr高熵合金作为溅射靶材，在氩气和氮气及氧气气氛中采用射频反应磁控溅射方法制得；其中工作参数：CrNbTiVZr靶材的溅射功率密度为6.0W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为50sccm，氮气的进气量为7sccm，氧气的进气量为5sccm，沉积CrNbTiVZrNO厚度为55nm。
⑸在次吸收层上制备减反射层：以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，在氩气气氛中采用射频磁控溅射方法制得；其中工作参数：Al2O3靶材的溅射功率密度为9W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为55 sccm，沉积厚度为95 nm。
该涂层在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率为0.94，发射率为0.09，其在空气600℃具有良好的热稳定性能。

Claims (3)

1.具有防扩散和抗氧化性能的太阳能吸收涂层，其特征在于：该涂层由抛光不锈钢片构成的吸热体基底、TiN构成的红外反射层、CrNbTiVZrN构成的主吸收层、CrNbTiVZrNO构成的次吸收层和Al2O3构成的减反射层组成；所述主吸收层是指采用等摩尔比的金属Cr、Nb、Ti、V、Zr通过熔炼法制备的CrNbTiVZr高熵合金的氮化物；所述次吸收层是指采用等摩尔比的金属Cr、Nb、Ti、V、Zr通过熔炼法制备的CrNbTiVZr高熵合金的氮氧化物；所述吸热体基底的粗糙度值为0.5~3 nm；所述红外反射层的厚度为120~200 nm；所述主吸收层的厚度为40~80 nm；所述次吸收层的厚度为35~55 nm；所述减反射层的厚度为60~95nm；所述CrNbTiVZr高熵合金是指将等摩尔比的金属Cr、Nb、Ti、V、Zr放入石墨坩埚内，然后将其放入真空熔炼炉并抽真空至4.5×10-6~7.5×10-6 Torr，于2800~3500℃熔融后浇筑成型，经切割、打磨即得。
2.如权利要求1所述的具有防扩散和抗氧化性能的太阳能吸收涂层的制备方法，包括以下步骤：
⑴对吸热体基底进行处理；
⑵在处理后的所述吸热体基底上制备红外反射层：以纯度为99.99%的TiN作为磁控溅射靶材，在氩气气氛中采用直流磁控溅射方法制得；其中工作参数：真空室预抽本底真空至3.0×10-6~6.0×10-6Torr；TiN靶材的溅射功率密度为3.9~7.2 W/m-2，溅射沉积时氩气的进气量为20~55 sccm，沉积TiN厚度为120~200 nm；
⑶在所述红外反射层上制备主吸收层：以纯度为99.9%的CrNbTiVZr高熵合金作为溅射靶材，在氩气与氮气气氛中采用射频反应磁控溅射方法制得；其中工作参数：CrNbTiVZr靶材的溅射功率密度为3.5~7.8W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20~55 sccm，氮气的进气量为2~7sccm，沉积CrNbTiVZrN的厚度为40~80 nm；
⑷在所述主吸收层上制备次吸收层：以纯度为99.9%的CrNbTiVZr高熵合金作为溅射靶材，在氩气和氮气及氧气气氛中采用射频反应磁控溅射方法制得；其中工作参数：CrNbTiVZr靶材的溅射功率密度为3.0~6.0W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20~50sccm，氮气的进气量为2~7sccm，氧气的进气量为2~5sccm，沉积CrNbTiVZrNO厚度为35~55nm；
⑸在所述次吸收层上制备减反射层：以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，在氩气气氛中采用射频磁控溅射方法制得；其中工作参数：Al2O3靶材的溅射功率密度为3~9W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20~55 sccm，沉积厚度为60~95 nm。
3.如权利要求2所述的具有防扩散和抗氧化性能的太阳能吸收涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤⑴中吸热体基底的处理是指去除基底抛光不锈钢片表面附着的杂质后，分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗10~20分钟，氮气吹干保存。
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