CN112030106A - 一种具有热敏特性的太阳能光谱选择性吸收涂层及其制备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有热敏特性的太阳能光谱选择性吸收涂层，该涂层由抛光不锈钢片或镍基合金构成的吸热体基底、氮质量分数≤12.2%的AlMo0.5NbTa0.5TiZrN构成的主吸收层、氮质量分数≥14.5%的AlMo0.5NbTa0.5TiZrN构成的次吸收层和SiO2构成的减反射层组成；所述主吸收层与所述次吸收层均是指采用金属Al、Mo、Nb、Ta、Ti、Zr通过熔炼法制备的AlMo0.5NbTa0.5TiZr高熵合金的氮化物。本发明还公开了该涂层的制备方法。本发明具有良好的热敏特性，可满足不同温度工况对于涂层光学性能的要求，所制备的涂层在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率为≥0.90，发射率≤0.10。

Description

一种具有热敏特性的太阳能光谱选择性吸收涂层及其制备
技术领域
本发明涉及太阳能高温光热利用和真空镀膜技术领域，尤其涉及一种具有热敏特性的太阳能光谱选择性吸收涂层及其制备。
背景技术
高熵合金，以其多主组元、高构型熵的设计理念以及独特的性能，成为近十多年来合金领域内的热点材料。高熵合金打破传统合金以一种或两种元素为主元的合金设计思路，以五种及五种以上元素为主元，具有热力学上的高熵效应、动力学上的缓慢扩散效应、结构上的严重晶格畸变效应及性能上的鸡尾酒效应等特性。高熵合金因其具有的高强度、高耐磨性、高耐腐蚀性和耐高温软化等优异性能已在航空航天、船舶、核能、汽车及电子等关键领域得到广泛关注。
高熵合金氮化物薄膜具有良好的耐磨、耐腐蚀等性能。中国专利CN104630706B公布了一种高性能光热转化多基元合金氮化物薄膜及其制备方法。该专利仅公开这种涂层在200~1700纳米的紫外可见光区域具有一定的吸收能力如79.82%，而对于2.5~25微米区域内的热发射特性没有研究。太阳能光谱选择性吸收涂层是指在0.3~2.5微米的紫外可见近红外区域具有高的吸收率，同时在2.5~25微米区域内具有低的发射率。理想的太阳能吸收涂层吸收率为1，发射率为0。随着现代工业的发展，开发具有热敏特性的高温太阳能吸收涂层具有重要的学术意义和应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有热敏特性的太阳能光谱选择性吸收涂层。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供该太阳能光谱选择性吸收涂层的制备。
为解决上述问题，本发明所述的一种具有热敏特性的太阳能光谱选择性吸收涂层，其特征在于：该涂层由抛光不锈钢片或镍基合金构成的吸热体基底、氮质量分数≤12.2%的AlMo0.5NbTa0.5TiZrN构成的主吸收层、氮质量分数≥14.5%的AlMo0.5NbTa0.5TiZrN构成的次吸收层和SiO2构成的减反射层组成；所述主吸收层与所述次吸收层均是指采用金属Al、Mo、Nb、Ta、Ti、Zr通过熔炼法制备的AlMo0.5NbTa0.5TiZr高熵合金的氮化物。
所述主吸收层的厚度为25~60 nm。
所述次吸收层的厚度为35~75 nm。
所述减反射层的厚度为40~80nm。
所述AlMo0.5NbTa0.5TiZr高熵合金是指将金属Al、Mo、Nb、Ta、Ti、Zr按照摩尔比1:0.5:1:0.5:1:1放入石墨坩埚内，然后将其放入真空熔炼炉并抽真空至6×10-6~9×10-6Torr，于3200~4000℃熔融后浇筑成型，经切割、打磨即得。
如上所述的一种具有热敏特性的太阳能光谱选择性吸收涂层的制备方法，包括以下步骤：
⑴在吸热体基底上制备主吸收层：以纯度为99.9%的AlMo0.5NbTa0.5TiZr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：AlMo0.5NbTa0.5TiZr靶材的溅射功率密度为2.0~7 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20~65sccm，氮气的进气量为1~5sccm，沉积AlMo0.5NbTa0.5TiZrN的厚度为25~60nm；
⑵在所述主吸收层上制备次吸收层：以纯度为99.9%的AlMo0.5NbTa0.5TiZr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：AlMo0.5NbTa0.5TiZr靶材的溅射功率密度为2.0~6.5W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20~60sccm，氮气的进气量为6~15sccm，沉积AlMo0.5NbTa0.5TiZrNO厚度为35~75 nm；
⑶在所述次吸收层上制备减反射层：以纯度99.99%的SiO2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：SiO2靶材的溅射功率密度为5~9W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20~60 sccm，沉积厚度为40~80 nm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明以六种金属Al、Mo、Nb、Ta、Ti、Zr，通过熔炼法制备的高熵合金（AlMo0.5NbTa0.5TiZr）为基本材料，制备了一种高熵合金（AlMo0.5NbTa0.5TiZr）基高温太阳能吸收涂层，极大拓展了非等摩尔比高熵合金的应用领域，丰富和发展了太阳能吸收涂层膜系结构。
2、本发明太阳能吸收涂层具有良好的热敏特性，可满足不同温度工况对于涂层光学性能的要求。
3、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≥0.90，发射率≤0.10。
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为本发明的涂层膜系结构图。
图2为本发明实施例1的涂层反射谱图。
图3为本发明实施例1的涂层热敏图谱。
具体实施方式
实施例1 一种具有热敏特性的太阳能光谱选择性吸收涂层，该涂层由抛光不锈钢片或镍基合金构成的吸热体基底、厚度为41 nm且氮质量分数为11.1%的AlMo0.5NbTa0.5TiZrN构成的主吸收层、厚度为46 nm且氮质量分数为15.2 %的AlMo0.5NbTa0.5TiZrN构成的次吸收层和厚度为71nm的SiO2构成的减反射层组成，如图1所示。
该太阳能光谱选择性吸收涂层的制备方法，包括以下步骤：
⑴在吸热体基底上制备主吸收层：以纯度为99.9%的AlMo0.5NbTa0.5TiZr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：AlMo0.5NbTa0.5TiZr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35 sccm，氮气的进气量为2 sccm，沉积AlMo0.5NbTa0.5TiZrN的厚度为41nm；
⑵在主吸收层上制备次吸收层：以纯度为99.9%的AlMo0.5NbTa0.5TiZr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：AlMo0.5NbTa0.5TiZr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35sccm，氮气的进气量为9sccm，沉积AlMo0.5NbTa0.5TiZrNO厚度为46 nm；
⑶在次吸收层上制备减反射层：以纯度99.99%的SiO2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：SiO2靶材的溅射功率密度为7W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为35 sccm，沉积厚度为71 nm。
该涂层在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为0.932，发射率为0.063；该涂层在真空600℃具有良好的长期热稳定性能。
图2为该涂层的反射谱图，从图中可以看出，在0.3~2.5微米区域内，涂层的反射率很低，从而保证了高的吸收率；在2.5~25微米区域内，涂层反射有个很大的阶跃，从而保证了低的发射率。
图3为该涂层的热敏图谱，从图中可以看出，随着热处理温度的提高，涂层的吸收率先下降后上升，而发射率则一直低于0.10，表明涂层具有良好的热敏特性。
实施例2 一种具有热敏特性的太阳能光谱选择性吸收涂层，该涂层由抛光不锈钢片或镍基合金构成的吸热体基底、厚度为25 nm且氮质量分数为9.1%的AlMo0.5NbTa0.5TiZrN构成的主吸收层、厚度为35 nm且氮质量分数为14.5%的AlMo0.5NbTa0.5TiZrN构成的次吸收层和厚度为40 nm的SiO2构成的减反射层组成。
该太阳能光谱选择性吸收涂层的制备方法，包括以下步骤：
⑴在吸热体基底上制备主吸收层：以纯度为99.9%的AlMo0.5NbTa0.5TiZr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：AlMo0.5NbTa0.5TiZr靶材的溅射功率密度为2 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20 sccm，氮气的进气量为1sccm，沉积AlMo0.5NbTa0.5TiZrN的厚度为25 nm；
⑵在主吸收层上制备次吸收层：以纯度为99.9%的AlMo0.5NbTa0.5TiZr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：AlMo0.5NbTa0.5TiZr靶材的溅射功率密度为2.0W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20 sccm，氮气的进气量为6sccm，沉积AlMo0.5NbTa0.5TiZrNO厚度为35 nm；
⑶在次吸收层上制备减反射层：以纯度99.99%的SiO2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：SiO2靶材的溅射功率密度为5 W/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0.91，发射率为0.09。
实施例3 一种具有热敏特性的太阳能光谱选择性吸收涂层，该涂层由抛光不锈钢片或镍基合金构成的吸热体基底、厚度为60 nm且氮质量分数为12.2 %的AlMo0.5NbTa0.5TiZrN构成的主吸收层、厚度为75 nm且氮质量分数为16.3%的AlMo0.5NbTa0.5TiZrN构成的次吸收层和厚度为80nm的SiO2构成的减反射层组成。
该太阳能光谱选择性吸收涂层的制备方法，包括以下步骤：
⑴在吸热体基底上制备主吸收层：以纯度为99.9%的AlMo0.5NbTa0.5TiZr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：AlMo0.5NbTa0.5TiZr靶材的溅射功率密度为7 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为65 sccm，氮气的进气量为5sccm，沉积AlMo0.5NbTa0.5TiZrN的厚度为60nm；
⑵在主吸收层上制备次吸收层：以纯度为99.9%的AlMo0.5NbTa0.5TiZr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：AlMo0.5NbTa0.5TiZr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15sccm，沉积AlMo0.5NbTa0.5TiZrNO厚度为75 nm；
⑶在次吸收层上制备减反射层：以纯度99.99%的SiO2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：SiO2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60 sccm，沉积厚度为80 nm。
该涂层在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率为0.90，发射率为0.10。
上述实施例1~3中，主吸收层与次吸收层均是指采用金属Al、Mo、Nb、Ta、Ti、Zr通过熔炼法制备的AlMo0.5NbTa0.5TiZr高熵合金的氮化物。
AlMo0.5NbTa0.5TiZr高熵合金是指将金属Al、Mo、Nb、Ta、Ti、Zr按照摩尔比1:0.5:1:0.5:1:1放入石墨坩埚内，然后将其放入真空熔炼炉并抽真空至6×10-6~9×10-6 Torr，于3200~4000℃熔融后浇筑成型，经切割、打磨即得。

Claims (6)

1.一种具有热敏特性的太阳能光谱选择性吸收涂层，其特征在于：该涂层由抛光不锈钢片或镍基合金构成的吸热体基底、氮质量分数≤12.2%的AlMo0.5NbTa0.5TiZrN构成的主吸收层、氮质量分数≥14.5%的AlMo0.5NbTa0.5TiZrN构成的次吸收层和SiO2构成的减反射层组成；所述主吸收层与所述次吸收层均是指采用金属Al、Mo、Nb、Ta、Ti、Zr通过熔炼法制备的AlMo0.5NbTa0.5TiZr高熵合金的氮化物。
2.如权利要求1所述的一种具有热敏特性的太阳能光谱选择性吸收涂层，其特征在于：所述主吸收层的厚度为25~60 nm。
3.如权利要求1所述的一种具有热敏特性的太阳能光谱选择性吸收涂层，其特征在于：所述次吸收层的厚度为35~75 nm。
4.如权利要求1所述的一种具有热敏特性的太阳能光谱选择性吸收涂层，其特征在于：所述减反射层的厚度为40~80nm。
5.如权利要求1所述的一种具有热敏特性的太阳能光谱选择性吸收涂层，其特征在于：所述AlMo0.5NbTa0.5TiZr高熵合金是指将金属Al、Mo、Nb、Ta、Ti、Zr按照摩尔比1:0.5:1:0.5:1:1放入石墨坩埚内，然后将其放入真空熔炼炉并抽真空至6×10-6~9×10-6 Torr，于3200~4000℃熔融后浇筑成型，经切割、打磨即得。
6.如权利要求1所述的一种具有热敏特性的太阳能光谱选择性吸收涂层的制备方法，包括以下步骤：
⑴在吸热体基底上制备主吸收层：以纯度为99.9%的AlMo0.5NbTa0.5TiZr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：AlMo0.5NbTa0.5TiZr靶材的溅射功率密度为2.0~7 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20~65sccm，氮气的进气量为1~5sccm，沉积AlMo0.5NbTa0.5TiZrN的厚度为25~60nm；
⑵在所述主吸收层上制备次吸收层：以纯度为99.9%的AlMo0.5NbTa0.5TiZr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：AlMo0.5NbTa0.5TiZr靶材的溅射功率密度为2.0~6.5W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20~60sccm，氮气的进气量为6~15sccm，沉积AlMo0.5NbTa0.5TiZrNO厚度为35~75 nm；
⑶在所述次吸收层上制备减反射层：以纯度99.99%的SiO2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：SiO2靶材的溅射功率密度为5~9W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20~60 sccm，沉积厚度为40~80 nm。
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