ES2202251T3 - Material mixto. - Google Patents
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Abstract
Material mixto con un soporte (1) de aluminio, con una capa intermedia (2) situada sobre la cara (A) del soporte (1) y con un sistema multicapa (3) ópticamente activo, aplicado sobre la capa intermedia (2), que consta de tres capas (la 4, la 5 y la 6), las dos capas más externas (la 4 y la 5) son capas dieléctricas y/o de óxido y la capa más profunda (la 6) es una capa metálica depositada sobre la capa intermedia (2), caracterizado porque la capa más externa (4) del sistema óptico multicapa (3) es una capa de óxido, de fluoruro o de nitruro, cuya composición química es MeOz, MeFr o MeNs, con un índice de refracción n < 18, y porque la capa media (5) del sistema óptico multicapa (3) es una capa de óxido de cromo que absorbe la luz que tiene como composición química CrOx y la capa más profunda (6) del sistema óptico multicapa (3) es de oro, de plata, de cobre, de cromo, de aluminio y/o de molibdeno, los índices x, z, r y s designan una proporción estequiométrica o no estequiométrica en los óxidos, fluoruros o nitruros.
Description
Material mixto.
La presente invención se refiere a un material
mixto o multicapa que consta de un soporte de aluminio, con una
capa intermedia situada sobre una cara del soporte y con un sistema
multicapa, ópticamente activo, aplicado sobre la capa intermedia,
dicho sistema multicapa consta de tres capas, de las cuales las dos
capas superiores o más externas son capas dieléctricas y/o oxídicas
y la capa más profunda es una capa metálica aplicada sobre la capa
intermedia. Ver por ejemplo el documento EP-0 918
234.
Este tipo de material mixto, en su calidad de
banda o fleje de aluminio provisto de un acabado superficial, ha
encontrado una gran aceptación con el nombre de MIRO® en el sector
de la iluminación, sistemas de luz diurna y aplicaciones
decorativas. El tratamiento superficial sirve para proteger mejor
la delicada superficie del aluminio y aumentar el grado de
reflexión de la luz. El proceso de acabado consta de dos
subprocesos distintos, ambos pueden ejecutarse en continuo, consta
a saber de la fabricación de la capa intermedia en un proceso de
química húmeda, que en conjunto se denomina oxidación anódica
(eloxadización), que abarca un abrillantado electrolítico y una
oxidación anódica, y de la aplicación con vacío del sistema
multicapa ópticamente activo. Las dos capas más externas son por lo
general capas dieléctricas, un caso especialmente preferido
consiste en el uso de capas oxídicas, por ejemplo de óxido de
aluminio o de óxido de titanio como capa más externa y dióxido de
silicio como capa media. Sobre los detalles del conocido
procedimiento MIRO® se remite por ejemplo a la publicación
"Elektrowärme International" 53 (1995) B4 - noviembre, páginas
B215-B223.
En general, una radiación que incide sobre un
objeto se divide en una fracción reflejada, una fracción absorbida
y una fracción transmitida, que dependerán en cada caso del grado
de reflexión (poder de reflexión), el grado de absorción (poder de
absorción) y del grado de transmisión (poder de transmisión) del
objeto. El poder de reflexión, de absorción y de transmisión son
propiedades ópticas que, para un mismo material, pueden adoptar
valores distintos en función de la longitud de onda de la radiación
incidente (p.ej. de la región ultravioleta, de la región de la luz
visible, de la región infrarroja y de la región de la radiación
calorífica). En lo referente al poder de absorción es conocida la
ley de Kirchhoff, según la cual el grado de absorción guarda en
cada caso una relación constante con el grado de emisión,
suponiendo que la temperatura y la longitud de onda tienen valores
fijos. Por tanto, para el poder de absorción son también importantes
la ley del desplazamiento de Wien, la ley de Planck y la ley de
Stefan-Boltzmann que describen determinadas
relaciones entre la intensidad de la radiación, la densidad de
distribución espectral, la longitud de onda y la temperatura del
llamado "cuerpo negro". Para los cálculos conviene tener en
cuenta que el "cuerpo negro" no existe como tal y que los
materiales reales pueden diferir de la distribución ideal en un
modo característico de cada uno de ellos.
En el caso del material mixto ya conocido, el
elevado poder de reflexión en la región de la luz visible tiene un
papel importante, que se traduce por ejemplo en un grado de
reflexión total de la luz, determinado con arreglo a la parte 3 de
la norma DIN 5036, con valores punta que pueden llegar hasta el 95
por ciento. Por otro lado cabe destacar del material conocido, que
se suministra principalmente en forma de prefabricado, su excelente
idoneidad para la transformación, sobre todo su conformabilidad o
deformabilidad.
En ciertos casos de aplicación puede ocurrir
además que se exija un grado de reflexión lo mayor posible en un
intervalo de longitudes de onda de la radiación incidente y un
grado de reflexión lo menor posible en otros intervalos, pero al
mismo tiempo un alto grado de absorción. Esto ocurre por ejemplo en
el sector de los colectores solares, en el que se exige en el
intervalo de longitudes de onda de la luz solar (de 300 a 2500 nm)
un grado de absorción máximo y en el intervalo de la radiación
calorífica (por encima de los 2500 nm) se exige un grado de
reflexión máximo. Con el nombre de Tinox Absorber se conocen unos
colectores planos, en los que se emplea el material mixto que
cumple estos requisitos. Este material consta de un soporte de
fleje o lámina de cobre, una capa de oxinitruro de titanio aplicada
sobre el soporte y una capa externa o cubriente de dióxido de
silicio.
La presente invención tiene como objetivo
desarrollar un material mixto del tipo descrito en la introducción,
con el que se puedan ajustar selectivamente el grado de absorción y
el grado de reflexión en los distintos intervalos de longitudes de
onda. El material mixto debe caracterizarse además por una buena
idoneidad para la transformación, en especial una buena
conformabilidad o deformabilidad, una gran conductividad térmica y
una alta resistencia química y térmica a largo plazo.
Según la invención se alcanza este objetivo
haciendo que la capa más externa del sistema óptico multicapa sea
una capa dieléctrica, con preferencia una capa de óxido, de
fluoruro o de nitruro de la composición química MeO_{z},
MeF_{r} o MeN_{s}, con un índice de refracción n < 18, y que
la capa media del sistema óptico multicapa sea una capa de óxido de
cromo que absorba la luz y tenga como composición química CrO_{x}
y la capa más profunda del sistema óptico multicapa sea de oro, de
plata, de cobre, de cromo, de aluminio y/o de molibdeno, los
índices x, z, r y s designan una proporción estequiométrica o no
estequiométrica en los óxidos, fluoruros o nitruros.
El sistema óptico multicapa de la invención puede
aplicarse de forma ventajosa, ya que se puede prescindir durante
la fabricación de soluciones salinas que constituyen un peligro
para el medio ambiente y en algunos casos son tóxicas. La capa
metálica del sistema óptico multicapa puede ser por ejemplo una
capa de deposición catódica (sputter) o una capa generada por
vaporizado, en especial por bombardeo electrónico o por focos
térmicos. Las dos capas más externas del sistema óptico multicapa
pueden ser también capas "sputter", en especial capas
generadas por "sputter" reactivo, capas CVD o PECVD o capas
generadas por vaporizado, en especial por bombardeo electrónico o
por focos térmicos, de modo que el sistema óptico multicapa conste
en su conjunto de capas aplicadas en una sucesión de vacío, en
especial en un procedimiento continuo.
La capa más externa puede ser con preferencia una
capa de óxido de silicio de composición química SiO_{y}, en el
que y significa de nuevo una proporción estequiométrica o no
estequiométrica en la composición del óxido.
Los procedimientos mencionados permiten además
ajustar con ventaja la composición química de la capa más externa y
la composición química CrO_{x} de la capa de óxido de cromo a
determinados valores discretos en lo tocante a los índices x, y, z,
r y s, sino que entre el material oxidado y el oxígeno existe una
proporción estequiométrica o no estequiométrica que puede variar
con fluidez dentro de ciertos límites. De este modo se puede
ajustar específicamente por ejemplo el índice de refracción de la
capa más externa, que reduce la reflexión, logrando al mismo tiempo
un aumento de los valores de la resistencia mecánica (parte 5 de la
norma DIN 58196), y el grado de absorción de la capa de óxido de
cromo, con lo cual a medida que aumenta el valor del índice x,
disminuye el poder de absorción.
Según la invención, el grado de reflexión total
de la luz, determinado con arreglo a la parte 3 de la norma DIN
5036, puede ajustarse por la cara del sistema óptico multicapa a un
valor preferido inferior al 5%, con lo cual puede garantizarse una
gran resistencia al envejecimiento y al mismo tiempo una gran
estabilidad térmica, de modo que por la cara del sistema óptico
multicapa, después de una exposición a la temperatura de 430ºC
durante 100 horas, el grado de reflexión existente sufra solo un
cambio inferior al 7%, con preferencia inferior al 4%. Además, de
modo ventajoso en caso de exposición a tal temperatura tampoco se
produce emisión alguna de gases.
Por la combinación sinergética de propiedades
- de la capa soporte, p.ej. excelente
conformabilidad, que le permiten soportar sin problemas los
esfuerzos aplicados por los transformadores finales en los procesos
de moldeo a realizar, p.ej. gran conductividad térmica así como la
idoneidad para un diseño de la superficie que facilite de modo
adicional la absorción de longitudes de onda del intervalo solar,
los demás capas se adaptan a dicho diseño en relieve, y además con
un poder de reflexión en el intervalo de la radiación calorífica,
que potencia el efecto de la capa metálica del sistema óptico
tricapa;
- de la capa intermedia, que garantiza por un
lado una protección mecánica y anticorrosiva del soporte y por otro
lado una buena adherencia del sistema óptico multicapa;
- de la capa metálica, que por sus componentes,
que poseen un gran poder de reflexión en el intervalo de la
radiación calorífica y, por tanto, presentan una baja emisión,
contribuye a que según la ley de Lambert-Bouguer la
potencia de la radiación sea absorbida con una característica
exponencial a medida que aumenta la profundidad de penetración y
para la mayoría de compuestos inorgánicos quede disponible en
condición de energía calorífica almacenable cuando la profundidad
es todavía muy escasa (menos de 1 \mum);
- de la capa de óxido de cromo con su gran
selectividad del grado de absorción (valores pico superiores al 90%
en el intervalo solar, valores mínimos inferiores al 15% en el
intervalo de longitudes de onda > 2500 \mu) y con su capacidad
de modificación (índice x) ya mencionada y
- de la capa más externa, en especial de la capa
de óxido de silicio, cuyas ventajas ya se han explicitado
anteriormente, que aparte de su efecto antirreflejante posee un
gran poder de transmisión y, por tanto, aumenta la porción de la
radiación del intervalo solar que puede absorberse en la capa de
óxido de cromo;
el material mixto de la invención presenta una
excelente opción de uso como absorbente de colectores solares así
como para otros casos de aplicación, por ejemplo absorbente de la
luz en la construcción de faros de vehículos a motor o de otros
dispositivos de iluminación. Con el material mixto de la invención
pueden fabricarse no solo colectores de baja temperatura, con una
temperatura de trabajo no superior a 100ºC, sino también colectores
de alta temperatura. En tal caso son posibles temperaturas de paro
superiores a 250ºC, entendiendo por tal la temperatura máxima de
uso teóricamente posible, en la que el material se halla en
equilibrio térmico con el entorno.
Otras formas ventajosas de ejecución de la
invención se describen en las reivindicaciones secundarias y en la
siguiente descripción detallada.
Mediante un ejemplo de ejecución ilustrado en la
figura adjunta se describe la invención con mayor detalle. La
figura 1 contiene una representación esquemática del material mixto
de la invención.
La ejecución descrita se refiere a un material
mixto de la invención con una gran selectividad del grado de
absorción y reflexión en el intervalo solar de longitudes de onda y
en el intervalo de la radiación calorífica.
El material mixto consta de una soporte 1 de tipo
fleje o lámina, en especial conformable, de una capa intermedia 2
depositada sobre la cara A del soporte 1, y de un sistema multicapa
3 ópticamente activo, depositado sobre la capa intermedia 2.
El grado de reflexión total de la luz,
determinado con arreglo a la parte 3 de la norma DIN 5036, se sitúa
en la cara A del sistema óptico multicapa 3 en menos del 5%.
El material mixto puede presentar la forma de un
fleje o lámina en bobina (coil) de un ancho máximo de 1600 mm, con
preferencia de 1250 mm y un grosor D de 0,1 a 1,5 mm, con
preferencia de 0,2 a 0,8 mm. El soporte 1 puede tener con
preferencia un grosor D_{1} de 0,1 a 0,7 mm.
El aluminio del soporte 1 puede tener en especial
una pureza superior al 99,0%, con lo cual se potencia su
conductividad térmica.
La capa intermedia 2 es de aluminio de oxidación
anódica o aluminio abrillantado electrolíticamente y oxidado en el
ánodo, este aluminio está depositado sobre el material soporte.
El sistema multicapa 3 consta de tres capas
individuales 4, 5 y 6, las dos capas más externas, la 4 y la 5, son
capas de óxido y la capa más profunda, la 6, es una capa metálica
depositada sobre la capa intermedia 2. La capa más externa 4 del
sistema óptico multicapa 3 es una capa de óxido de silicio, cuya
composición química es SiO_{y}. La capa media 5 es una capa de
óxido de cromo, cuya composición química es CrO_{x} y la capa más
profunda 6 es de oro, de plata, de cobre, de cromo, de aluminio y/o
de molibdeno.
Los índices x e y designan una proporción
estequiométrica o no estequiométrica entre el compuesto oxidado y
el oxígeno de los óxidos. La proporción estequiométrica o no
estequiométrica x puede situarse con preferencia en el intervalo 0
< x < 3, mientras que la proporción estequiométrica o no
estequiométrica y puede adoptar los valores del intervalo
\hbox{1 \leq y \leq 2.}
Debido a que las dos capas más externas, la 4 y
la 5, del sistema óptico multicapa 3 pueden ser capas de deposición
catódica (sputter), en especial capas fabricadas mediante
"sputter" reactivo, capas CVD o capas PECVD o capas fabricadas
por vaporización, en especial capas fabricadas por bombardeo
electrónico o por focos térmicos, es posible ajustar en continuo
las proporciones x e y (también los valores no estequiométricos de
estos índices), con lo cual pueden variarse las propiedades de las
capas correspondientes.
La capa más externa 4 del sistema óptico
multicapa 3 puede tener con ventaja un grosor D_{4} superior a 3
nm. Con este grosor D_{4}, la capa posee ya una eficacia
suficiente, al tiempo que la dedicación de tiempo, el consumo de
material y de energía se mantienen en valores bajos. El límite
superior para el grosor de capa D_{4} se sitúa desde este punto
de vista en 500 nm. Un valor óptimo para la capa media 5 del
sistema óptico multicapa 3 por los puntos de vista ya mencionados
es un grosor mínimo D_{5} de más de 10 nm, como máximo de 1
\mum. El valor correspondiente para la capa más profunda 6 se
sitúa en un grosor D_{6} de por lo menos 3 nm y como máximo de
500 nm.
La capa más profunda 6 del sistema óptico
multicapa 3 debería tener con preferencia una pureza superior al
99,5% con el fin de lograr una alta eficacia. Tal como se ha dicho
antes, la capa puede ser una capa de deposición catódica (sputter)
o una capa generada por vaporización, en especial por bombardeo
electrónico o por focos térmicos, de modo que el sistema óptico
multicapa 3 en su totalidad conste con ventaja de las capas 4, 5 y
6 depositadas por un proceso continuo de deposición sucesiva con
vacío.
Sobre la capa B, opuesta al sistema óptico
multicapa 3, del soporte 1 de tipo fleje o lámina se deposita una
capa inferior 7 que, al igual que la capa intermedia 2, puede ser
de aluminio de oxidación anódica o abrillantado electrolíticamente
y oxidado en el ánodo. La capa intermedia 2 y la capa inferior 7
pueden fabricarse con ventaja de forma simultáneamente por un
método de química húmeda, los poros de la capa de óxido de aluminio
pueden cerrarse en su práctica totalidad en la última fase de la
cadena del proceso químico húmedo mediante una compactación en
caliente, de modo que se obtiene una superficie definitivamente
estable. La capa inferior 7, al igual que la capa intermedia 2,
proporciona una protección mecánica y anticorrosiva al soporte
1.
El grado de reflexión total de la luz,
determinado con arreglo a la parte 3 de la norma DIN 5036, de la
cara B, opuesta al sistema óptico multicapa 3, puede situarse con
preferencia por lo menos en el 84%.
Según la invención es posible sobre todo diseñar
la estructura de capas de tal manera que el grado de reflexión
total de la luz, determinado con arreglo a la parte 3 de la norma
DIN 5036, de la cara A del sistema óptico multicapa 3 y/o de la
cara B, opuesta al sistema óptico multicapa 3, después de una
exposición de 100 horas a una temperatura de 430ºC, sufra una
variación inferior al 7%, con preferencia inferior al 4%.
La presente invención no se limita al ejemplo de
ejecución ya descrito, sino que abarca todos aquellos medios y
medidas que conducen al mismo efecto en el sentido de la invención.
Por lo tanto es también posible que la capa más profunda 6 del
sistema óptico multicapa 3 conste de varias capas parciales de oro,
de plata, de cobre, de cromo, de aluminio y/o de molibdeno,
dispuestas una sobre otra. Tal como se ha mencionado anteriormente,
la capa más externa puede ser de fluoruros o de nitruros.
Por lo demás, el experto puede completar la
invención con medidas ventajosas adicionales, sin salir del marco
de la invención. Por ejemplo, en la cara B, opuesta a la que
contiene el sistema óptico multicapa 3, que también se ha
representado en la figura, puede depositarse además una capa
decorativa 8 sobre la capa inferior 7. Esta capa decorativa 8 puede
ser por ejemplo una capa especular metálica o de nitruro de titanio
o de otros materiales idóneos, con los que aparte de brillo puede
aportar una coloración determinada.
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
1 \+ soporte\cr 2 \+ capa intermedia\cr 3 \+ sistema óptico
multicapa\cr 4 \+ capa más externa de 3\cr 5 \+ capa media de 3\cr
6 \+ capa más profunda de 3\cr 7 \+ capa inferior\cr 8 \+ capa
decorativa\cr A \+ cara superior (la cara de 3)\cr B \+ cara
inferior (la cara opuesta a 3)\cr D \+ grosor (total)\cr D _{1}
\+ grosor de la capa 1\cr D _{4} \+ grosor de la capa 4\cr
D _{5} \+ grosor de la capa 5\cr D _{6} \+ grosor de la capa
6\cr}
Claims (19)
1. Material mixto con un soporte (1) de aluminio,
con una capa intermedia (2) situada sobre la cara (A) del soporte
(1) y con un sistema multicapa (3) ópticamente activo, aplicado
sobre la capa intermedia (2), que consta de tres capas (la 4, la 5
y la 6), las dos capas más externas (la 4 y la 5) son capas
dieléctricas y/o de óxido y la capa más profunda (la 6) es una capa
metálica depositada sobre la capa intermedia (2),
caracterizado porque la capa más externa (4) del sistema
óptico multicapa (3) es una capa de óxido, de fluoruro o de
nitruro, cuya composición química es MeO_{z}, MeF_{r} o
MeN_{s}, con un índice de refracción
\hbox{n < 1,8}
y porque la capa media (5) del sistema óptico multicapa (3) es una
capa de óxido de cromo que absorbe la luz que tiene como
composición química CrO_{x} y la capa más profunda (6) del
sistema óptico multicapa (3) es de oro, de plata, de cobre, de
cromo, de aluminio y/o de molibdeno, los índices x, z, r y s
designan una proporción estequiométrica o no estequiométrica en los
óxidos, fluoruros o nitruros.2. Material mixto según la reivindicación 1,
caracterizado porque la capa más externa (4) del sistema
óptico multicapa (3) es una capa de óxido de silicio, cuya
composición química es SiO_{y}, el índice y designa una
proporción estequiométrica o no estequiométrica.
3. Material mixto según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque la capa intermedia (2) es de aluminio
oxidado en el ánodo o abrillantado electrolíticamente y oxidado en
el ánodo.
4. Material mixto según una de las
reivindicaciones de 1 a 3, caracterizado por una capa
inferior (7) aplicada sobre la cara (B) del soporte (1), opuesta a
la que lleva el sistema óptico multicapa (3), dicha capa inferior
es de aluminio oxidado en el ánodo o abrillantado
electrolíticamente y oxidado en el ánodo.
5. Material mixto según una de las
reivindicaciones de 1 a 4, caracterizado porque la
proporción x, estequiométrica o no estequiométrica, se sitúa en el
intervalo 0 < x < 3.
6. Material mixto según una de las
reivindicaciones de 2 a 5, caracterizado porque la
proporción y, estequiométrica o no estequiométrica, se sitúa en el
intervalo 1 \leq y \leq 2.
7. Material mixto según una de las
reivindicaciones de 1 a 6, caracterizado porque la capa más
profunda (6) del sistema óptico multicapa (3) consta de varias
capas parciales de oro, de plata, de cobre, de cromo, de aluminio
y/o de molibdeno, dispuestas una sobre otra.
8. Material mixto según una de las
reivindicaciones de 1 a 7, caracterizado porque las dos
capas más externas (4 y 5) del sistema óptico multicapa (3) son
capas de deposición catódica (sputter), en especial capas generadas
por "sputter" reactivo, capas de CVD o de PECVD o capas
generadas por vaporización, en especial por bombardeo electrónico o
por focos térmicos.
9. Material mixto según una de las
reivindicaciones de 1 a 8, caracterizado porque la capa
metálica del sistema óptico multicapa (3) es una capa de deposición
catódica (sputter) o una capa generada por vaporización, en
especial por bombardeo electrónico o por focos térmicos.
10. Material mixto según una de las
reivindicaciones de 1 a 9, caracterizado porque el sistema
óptico multicapa (3) consta de capas aplicadas sucesivamente con
vacío en un proceso continuo.
11. Material mixto según una de las
reivindicaciones de 1 a 10, caracterizado porque la capa más
externa (4) del sistema óptico multicapa (3) tiene un grosor
(D_{4}) superior a 3 nm y como máximo de 500 nm.
12. Material mixto según una de las
reivindicaciones de 1 a 11, caracterizado porque la capa
media (5) del sistema óptico multicapa (3) tiene un grosor
(D_{5}) superior a 10 nm y como máximo de 1 \mum.
13 Material mixto según una de las
reivindicaciones de 1 a 12, caracterizado porque la capa más
profunda (6) del sistema óptico multicapa (3) tiene un grosor
(D_{6}) por lo menos de 3 nm y como máximo de 500 nm.
14. Material mixto según una de las
reivindicaciones de 1 a 13, caracterizado porque el grado de
reflexión total de la luz de la cara (A) del sistema óptico
multicapa (3), determinado con arreglo a la parte 3 de la norma DIN
5036, es inferior al 5%.
15. Material mixto según una de las
reivindicaciones de 1 a 14, caracterizado porque el grado de
reflexión total de la luz de la cara (B), opuesta a la cara del
sistema óptico multicapa (3), determinado con arreglo a la parte 3
de la norma DIN 5036, es por lo menos del 84%.
16. Material mixto según una de las
reivindicaciones de 1 a 15, caracterizado porque el grado de
reflexión total de la luz de la cara (A) del sistema óptico
multicapa (3) y/o de la cara (B), opuesta a la cara del sistema
óptico multicapa (3), determinado con arreglo a la parte 3 de la
norma DIN 5036, después de una exposición de 100 horas a una
temperatura de 430ºC, sufre una variación inferior al 7%, con
preferencia inferior al 4%.
17. Material mixto según una de las
reivindicaciones de 1 a 16, caracterizado porque el aluminio
del soporte (1) tiene una pureza superior al 99,0%.
18. Material mixto según una de las
reivindicaciones de 1 a 6, caracterizado porque la capa más
profunda (6) del sistema óptico multicapa (3) tiene una pureza
superior al 99,5 %.
19. Material mixto según una de las
reivindicaciones de 1 a 18, caracterizado por la ejecución
en forma de fleje o lámina (coil) de una anchura de hasta 1600 mm,
con preferencia de 1250 mm y de un grosor (D) de 0,1 a 1,5 mm, con
preferencia de 0,2 a
\hbox{8 mm.} 20. Material mixto según una de las
reivindicaciones de 1 a 19, caracterizado por una capa
decorativa (8) aplicada sobre la cara (B), opuesta al sistema
óptico multicapa (3), aplicada en especial sobre la capa inferior
(7), por ejemplo una capa especular.
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