CN110595084B - 一种金属渐变性高温太阳能吸收涂层及其制备方法 - Google Patents

一种金属渐变性高温太阳能吸收涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种金属渐变性高温太阳能吸收涂层，该涂层依次由抛光不锈钢片构成的吸热体基底、高金属含量AlCrTaTiZrN构成的主吸收层、低金属含量AlCrTaTiZrN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Al、Cr、Ta、Ti、Zr在2sccm≤氮气流量<6sccm的条件下通过熔炼法制备的AlCrTaTiZr高熵合金的氮化物；次吸收层是指采用等摩尔比的金属Al、Cr、Ta、Ti、Zr在6sccm≤氮气流量≤10sccm的条件下通过熔炼法制备的AlCrTaTiZr高熵合金的氮化物。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≥0.94，发射率<0.10；且该涂层在空气500℃具有良好的长期热稳定性能。

Description

一种金属渐变性高温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发电用高温太阳能吸收涂层技术领域，尤其涉及一种金属渐变性高温太阳能吸收涂层及其制备方法。
背景技术
当前，在化石等不可再生能源日趋稀缺的背景下，世界能源结构将发生重大变化，太阳能将逐渐代替常规能源，成为不可缺少的重要能源，其光热利用研究已是当今热点。太阳能聚光热发电之中高温的太阳能热利用是今后太阳能利用的发展趋势，其中槽式聚光发电是光热发电的主要形式之一。
高温集热管是槽式光热发电的核心部件，而高温太阳能吸收涂层是实现光热转化和提高电站收益的核心材料。金属掺杂电介质体系是高温太阳能吸收涂层的常用膜系，但在高温工况下，该涂层容易发生金属原子的氧化和扩散，从而导致光学性能衰减。因此，探索新材料在太阳能吸收涂层中的应用及建立不同膜系结构具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种金属渐变性高温太阳能吸收涂层及其制备方法。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供该金属渐变性高温太阳能吸收涂层的制备方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种金属渐变性高温太阳能吸收涂层，其特征在于：该涂层依次由抛光不锈钢片构成的吸热体基底、高金属含量AlCrTaTiZrN(high metalvolume fraction)构成的主吸收层、低金属含量AlCrTaTiZrN(low metal volumefraction)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Al、Cr、Ta、Ti、Zr在2sccm≤氮气流量<6sccm的条件下通过熔炼法制备的AlCrTaTiZr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Al、Cr、Ta、Ti、Zr在6sccm≤氮气流量≤10sccm的条件下通过熔炼法制备的AlCrTaTiZr高熵合金的氮化物。
所述吸热体基底的粗糙度值为0.5~3 nm。
所述主吸收层的厚度为30~65 nm。
所述次吸收层的厚度为35~56 nm。
所述减反射层的厚度为40~70 nm。
所述AlCrTaTiZr高熵合金是指将等摩尔比的金属Al、Cr、Ta、Ti、Zr放入石墨坩埚内，然后将其放入真空熔炼炉并抽真空至3.5×10-6~7×10-6 Torr，于2300~2700℃熔融后浇筑成型，经切割、打磨即得。
如上所述的一种金属渐变性高温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主吸收层：以纯度为99.9%的AlCrTaTiZr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：AlCrTaTiZr靶材的溅射功率密度为3.0~6.5W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20~60sccm，2sccm≤氮气的进气量<6sccm，沉积AlCrTaTiZrN的厚度为30~65 nm；
⑶在所述主吸收层上制备次吸收层：以纯度为99.9%的AlCrTaTiZr高熵合金作为溅射靶材，在氩气和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：AlCrTaTiZr靶材的溅射功率密度为3.0~6.5W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20~60sccm，6sccm≤氮气的进气量≤10sccm，沉积AlCrTaTiZrN厚度为35~56 nm；
⑷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5.5~10W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20~60 sccm，沉积厚度为40~70 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、本发明采用AlCrTaTiZrN高熵合金作为靶材，溅射沉积是通过调控氮气的含量，制备了具有金属渐变性的高温太阳能吸收涂层。
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≥0.94，发射率<0.10；且该涂层在空气500℃具有良好的长期热稳定性能。
3、本发明制备工艺简单、成本较低。
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，一种金属渐变性高温太阳能吸收涂层，该涂层依次由粗糙度值为1.5 nm的抛光不锈钢片构成的吸热体基底、厚度为48 nm的高金属含量AlCrTaTiZrN(high metal volume fraction)构成的主吸收层、厚度为55 nm的低金属含量AlCrTaTiZrN(low metal volume fraction)构成的次吸收层和厚度为50 nm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Al、Cr、Ta、Ti、Zr在氮气流量为3sccm的条件下通过熔炼法制备的AlCrTaTiZr高熵合金的氮化物；次吸收层是指采用等摩尔比的金属Al、Cr、Ta、Ti、Zr在氮气流量为7sccm的条件下通过熔炼法制备的AlCrTaTiZr高熵合金的氮化物。
其中：AlCrTaTiZr高熵合金是指将等摩尔比的金属Al、Cr、Ta、Ti、Zr放入石墨坩埚内，然后将其放入真空熔炼炉并抽真空至3.5×10-6~7×10-6 Torr，于2300~2700℃熔融后浇筑成型，经切割、打磨即得。
该金属渐变性高温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主吸收层：以纯度为99.9%的AlCrTaTiZr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：AlCrTaTiZr靶材的溅射功率密度为5.5W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为45 sccm，氮气的进气量为3 sccm，沉积AlCrTaTiZrN的厚度为48 nm。
⑶在主吸收层上制备次吸收层：以纯度为99.9%的AlCrTaTiZr高熵合金作为溅射靶材，在氩气和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：AlCrTaTiZr靶材的溅射功率密度为4.6W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为38sccm，氮气的进气量为7sccm，沉积AlCrTaTiZrN厚度为55 nm。
⑷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7.5W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为35 sccm，沉积厚度为50 nm。
该涂层在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率为0.96，发射率为0.09。
实施例2 一种金属渐变性高温太阳能吸收涂层，该涂层依次由粗糙度值为0.5 nm的抛光不锈钢片构成的吸热体基底、厚度为30 nm的高金属含量AlCrTaTiZrN(high metalvolume fraction)构成的主吸收层、厚度为35 nm的低金属含量AlCrTaTiZrN(low metalvolume fraction)构成的次吸收层和厚度为40 nm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Al、Cr、Ta、Ti、Zr在氮气流量为2sccm的条件下通过熔炼法制备的AlCrTaTiZr高熵合金的氮化物；次吸收层是指采用等摩尔比的金属Al、Cr、Ta、Ti、Zr在氮气流量为6sccm的条件下通过熔炼法制备的AlCrTaTiZr高熵合金的氮化物。
其中：AlCrTaTiZr高熵合金同实施例1。
该金属渐变性高温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主吸收层：以纯度为99.9%的AlCrTaTiZr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：AlCrTaTiZr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20 sccm，氮气的进气量为2 sccm，沉积AlCrTaTiZrN的厚度为30 nm。
⑶在主吸收层上制备次吸收层：以纯度为99.9%的AlCrTaTiZr高熵合金作为溅射靶材，在氩气和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：AlCrTaTiZr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6sccm，沉积AlCrTaTiZrN厚度为35 nm。
⑷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5.5W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20 sccm，沉积厚度为40 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0.09。
实施例3 一种金属渐变性高温太阳能吸收涂层，该涂层依次由粗糙度值为3 nm的抛光不锈钢片构成的吸热体基底、厚度为65 nm的高金属含量AlCrTaTiZrN(high metalvolume fraction)构成的主吸收层、厚度为56 nm的低金属含量AlCrTaTiZrN(low metalvolume fraction)构成的次吸收层和厚度为70 nm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Al、Cr、Ta、Ti、Zr在氮气流量为5sccm的条件下通过熔炼法制备的AlCrTaTiZr高熵合金的氮化物；次吸收层是指采用等摩尔比的金属Al、Cr、Ta、Ti、Zr在氮气流量为10sccm的条件下通过熔炼法制备的AlCrTaTiZr高熵合金的氮化物。
其中：AlCrTaTiZr高熵合金同实施例1。
该金属渐变性高温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主吸收层：以纯度为99.9%的AlCrTaTiZr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：AlCrTaTiZr靶材的溅射功率密度为6.5W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为60 sccm，氮气的进气量为5 sccm，沉积AlCrTaTiZrN的厚度为65 nm。
⑶在主吸收层上制备次吸收层：以纯度为99.9%的AlCrTaTiZr高熵合金作为溅射靶材，在氩气和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：AlCrTaTiZr靶材的溅射功率密度为6.5W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为60sccm，氮气的进气量为10sccm，沉积AlCrTaTiZrN厚度为56 nm。
⑷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10W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为60 sccm，沉积厚度为70 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。

Claims (3)

1.一种金属渐变性高温太阳能吸收涂层，其特征在于：该涂层依次由抛光不锈钢片构成的吸热体基底、高金属含量AlCrTaTiZrN构成的主吸收层、低金属含量AlCrTaTiZrN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Al、Cr、Ta、Ti、Zr在2sccm≤氮气流量<6sccm的条件下通过熔炼法制备的AlCrTaTiZr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Al、Cr、Ta、Ti、Zr在6sccm≤氮气流量≤10sccm的条件下通过熔炼法制备的AlCrTaTiZr高熵合金的氮化物；所述吸热体基底的粗糙度值为0.5~3 nm；所述主吸收层的厚度为30~65 nm；所述次吸收层的厚度为35~56 nm；所述减反射层的厚度为40~70 nm；所述AlCrTaTiZr高熵合金是指将等摩尔比的金属Al、Cr、Ta、Ti、Zr放入石墨坩埚内，然后将其放入真空熔炼炉并抽真空至3.5×10-6~7×10-6 Torr，于2300~2700℃熔融后浇筑成型，经切割、打磨即得。
2.如权利要求1所述的一种金属渐变性高温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主吸收层：以纯度为99.9%的AlCrTaTiZr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：AlCrTaTiZr靶材的溅射功率密度为3.0~6.5W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20~60sccm，2sccm≤氮气的进气量<6sccm，沉积AlCrTaTiZrN的厚度为30~65 nm；
⑶在所述主吸收层上制备次吸收层：以纯度为99.9%的AlCrTaTiZr高熵合金作为溅射靶材，在氩气和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：AlCrTaTiZr靶材的溅射功率密度为3.0~6.5W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20~60sccm，6sccm≤氮气的进气量≤10sccm，沉积AlCrTaTiZrN厚度为35~56 nm；
⑷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5.5~10W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20~60 sccm，沉积厚度为40~70 nm。
3.如权利要求2所述的一种金属渐变性高温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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