CN201218622Y - 一种太阳能选择性吸收涂层 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种太阳能选择性吸收涂层，该涂层在吸热体基材表面由底部到顶部形成三层膜结构，第一层是红外反射层，由金属Nb膜构成，厚度在140～250nm；第二层是吸收层，成分上由Nb与Al2O3的混合物组成，结构上由金属体积百分含量不同的两个亚层构成，第一亚层Nb的厚度为45～75nm，第二亚层Nb的厚度为50～70nm；第三层为减反射层，由Al2O3膜构成，厚度为65～85nm。所述涂层的第一层红外反射层采用Nb靶直流磁控溅射方法制备，第二层吸收层采用Nb靶直流反应磁控溅射技术和Al靶中频孪生磁控溅射技术制备，反应气体为O2；第三层减反射层采用Al2O3靶中频孪生溅射技术，以Ar气作为溅射气体制备。

Description

一种太阳能选择性吸收涂层
技术领域
本实用新型涉及涂层技术领域，具体地说是指一种应用在太阳能集热管上的选择性吸收涂层。
背景技术
太阳光谱选择性吸收涂层在可见-近红外波段具有高吸收率，因此能够在红外波段具有低发射率的功能薄膜是用于太阳能集热器，提高光热转换效率的关键。随着太阳能热利用需求和技术的不断发展，太阳能集热管的应用范围从低温应用(≤100℃)向中温应用(100℃～350℃)和高温应用(350℃～500℃)发展，以不断满足太阳能发电等中高温应用领域的使用要求。
多数太阳能选择性吸收表面涂层目前都是应用金属-介电复合物(又称作金属陶瓷)来作为太阳能吸收材料，该复合材料以适当厚度涂层和金属组分沉积，在主要的太阳能辐射区域表现出强烈的吸收峰而对热(红外)辐射则基本保留为透明的，该复合物被沉积在对红外反射的金属基材上以形成太阳能选择性吸收表面涂层。不过所用的复合材料由于不具备高温下的热稳定性，故只能在低温或中温(至多高达350℃)时使用。
为了提高中高温服役条件下选择性吸收涂层的热稳定性，Mo-Al2O3/Cu、SS-AlN/SS等材料体系得到了研究和发展，采用了双靶或多靶金属陶瓷共溅射技术，其中Mo-Al2O3/Cu体系的特点是Mo-Al2O3吸收层具有成分渐变的多亚层结构，Al2O3层采用射频溅射方法。SS-AlN/SS体系的特点是吸收层采用了干涉膜结构，使热稳定性提高。上述涂层在使用温度350℃～500℃范围内的聚焦型中高温集热管表面获得了应用。但是双靶或多靶共溅射、射频溅射等工艺沉积速率低，生产周期长，工艺复杂，成本高。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种太阳能选择性吸收涂层，适用于中高温(300℃～500℃)工作温度集热管，涂层吸收率高、发射率低、热稳定性好，制备工艺简便，操作方便，生产周期短，溅射工况稳定。
为达到上述目的，本实用新型提供一种太阳能选择性吸收涂层，该涂层在吸热体基材表面由底部到顶部形成三层膜结构，第一层是红外反射层，由金属Nb膜构成，厚度在140～250nm；第二层是吸收层，成分上由Nb与Al2O3的混合物组成，结构上由金属体积百分含量不同的两个亚层构成，第一亚层Nb的体积百分含量为45～65％，厚度为45～75nm，第二亚层Nb的体积百分含量为25～35％，厚度为50～70nm；第三层为减反射层，由Al2O3膜构成，厚度为65～85nm。
所述涂层的第一层红外反射层采用Nb靶直流磁控溅射方法制备，第二层吸收层采用Nb靶直流反应磁控溅射技术和Al靶中频孪生磁控溅射技术制备，反应气体为O2；第三层减反射层采用Al2O3靶中频孪生溅射技术，以Ar气作为溅射气体制备。
本实用新型所提供的选择性吸收涂层由Nb红外反射层、Nb与Al2O3的混合物组成的双干涉吸收层和Al2O3减反射层组成，具有可见-红外光谱高吸收率，红外光谱低发射率的特点，并且由于采用高熔点的金属Nb和Al2O3材料，具有良好的中高温热稳定性。该涂层的红外反射层和吸收层工艺简便、操作方便、易于控制、显著降低工艺成本、缩短生产周期。适用于中高温工作温度的太阳能集热管。
附图说明
图1是本实用新型选择性吸收涂层剖面示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
本实用新型涉及一种太阳能选择性吸收涂层，该吸收涂层的结构剖面图如图1所示。
图1中基体为不锈钢材料，涂层的第一层红外反射层，第一层上面是第二层吸收层和第三层减反射层，其中第一层红外反射层由金属Nb膜构成，厚度在140～250nm；第二层吸收层包括两个亚层结构，根据涂层中Nb含量的不同，第一亚层Nb的体积百分含量为45～65％，厚度为45～75nm，第二亚层Nb的体积百分含量为25～35％，厚度为50～70nm；第三层减反射层由Al2O3膜构成，厚度为65～85nm。
上述选择性吸收涂层的制备方法包括如下步骤：
步骤一：在基体上制备第一层红外发射层。采用Nb靶直流磁控溅射方法，以Ar气作为溅射气体制备，选用纯度99.99％的Nb靶，基体选用304不锈钢。溅射前将真空室预抽本底真空至4×10-3～6×10-3Pa，通入惰性气体Ar作为溅射气氛，调节溅射气压为0.20～0.25Pa。开启Nb溅射靶电源，调整溅射电压为250～290V，溅射电流为0.20～0.30A，利用直流溅射方式制备，涂层厚度在140～250nm，该层对红外波段光谱具有高反射特性，发射率低。
步骤二：在第一层涂层上制备第二层吸收层。吸收层成分上由Nb与Al2O3的混合物组成，首先将真空室预抽本底真空至4×10-3～6×10-3Pa，然后通入Ar和O2混合气，调节Ar与O2流量比为150∶2，调节溅射气压为0.20～0.25Pa，分别开启Nb和Al靶溅射电源，调整Nb靶溅射电压为350～380V，溅射电流为2.0～2.5A，Al靶溅射电压为450～480V，溅射电流为1.0～2A，在红外反射层上制备Nb与Al2O3的混合物第一亚层；
调节Ar与O2流量比为150∶4，继续制备Nb与Al2O3的混合物第二亚层；第一亚层和第二亚层除自身对太阳光谱具备固有吸收特性外，同时形成干涉吸收效应，加强了涂层的光吸收作用，共同组成选择性吸收涂层的吸收层；
步骤三：在第二层上制备第三层减反射层。用Al靶，溅射前将真空室预抽本底真空至4×10-3～6×10-3Pa，通入惰性气体Ar作为溅射气氛，调节溅射气压为0.20～0.25Pa。溅射时，调整溅射电压为350～400V，溅射电流为1.0～1.2A，利用中频孪生磁控溅射方式制备Al2O3膜即减反射层。减反射层具有增透、耐磨、抗氧化的作用实施例：制备一种太阳能选择性吸收涂层，包括三个涂层即第一层红外反射层、第二层吸收层、第三层减反射层，第一层厚度为180nm，第二层总厚度为105nm，其中第一亚层厚度为60nm，第二亚层厚度为45nm，第三层厚度为65nm。制备步骤如下：
步骤一：制备第一层红外反射层。选用纯度99.99％的Nb靶，基体选用304不锈钢。溅射前将真空室预抽本底真空至5×10-3Pa，通入惰性气体Ar作为溅射气氛，调节溅射气压为0.25Pa。开启Nb溅射靶电源，调整溅射电压为290V，溅射电流为3A，利用直流溅射方式制备180nm厚的红外反射层；
步骤二：制备第二层吸收层。同时通入Ar和O2混合气，调节Ar与O2流量比为150∶2，调节溅射气压为0.25Pa，分别开启Nb和Al靶溅射电源，调整Nb靶溅射电压为380V，溅射电流为2.5A，Al靶溅射电压为480V，溅射电流为2A，在红外反射层上制备60nm厚的Nb与Al2O3的混合物第一亚层；调节Ar与O2流量比为150∶4，继续制备45nm厚的Nb与Al2O3的混合物第二亚层。
步骤三：制备第三层。用Al靶，溅射前将真空室预抽本底真空至5×10-3Pa，通入惰性气体Ar作为溅射气氛，调节溅射气压为0.25Pa。溅射时，调整溅射电压为400V，溅射电流为3A，利用中频孪生磁控溅射方式制备65nm厚Al2O3膜即减反射层。
本实施例制备的太阳能选择性吸收涂层的性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为91％，法向发射率为0.15。进行真空退火处理，在2×10-2Pa真空度下，经350℃真空退火1小时后，涂层吸收率为92％，法向发射率为0.14。

Claims (1)

1、一种太阳能选择性吸收涂层，基体为不锈钢材料，其特征在于：所述的选择性吸收涂层由基体开始依次为红外反射层、吸收层和减反射层；
所述的红外反射层厚度在140～250nm，采用Nb靶直流磁控溅射方法制备在基体表面；吸收层厚度为95～145nm，采用Nb靶直流反应磁控溅射技术和Al靶中频孪生磁控溅射技术制备在红外反射层表面；减反射层厚度为65～85nm，采用Al2O3靶中频孪生溅射技术制备在吸收层表面；
所述的吸收层包括两个亚层结构，第一亚层在红外反射层上制备，厚度为45～75nm，第二亚层在第一亚层上制备厚度为50～70nm。
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