[發明專利]金屬-陶瓷復合材料的薄層的制備方法

無效

• 申請號: 200780041648.1
• 申請日: 2007-11-12
• 公開（公告）號: CN101600915A
• 公開（公告）日: 2009-12-09
• 發明（設計）人: R·克拉森;M·內賈提
• 申請（專利權）人: 第三專利投資有限兩合公司
• 主分類號: F24J2/48
• 分類號: F24J2/48;C23C24/00;C23C28/00;C23C18/12;C03C17/36
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司
• 代理人: 于 輝

技術領域

本發明涉及包含金屬納米顆粒的金屬-陶瓷復合材料的薄層的制備方 法，以及所述方法的應用。

背景技術

在高效太陽能集熱器中，來自太陽能吸收器表面的幾乎全部太陽光譜 都被轉化為熱能。吸收器表面以及與之相連的管道向流過所述管道的諸如 水的載熱流體散發熱量。

吸收器表面是太陽能集熱器的最重要部件。通過使用光譜選擇性吸收 器，這種集熱器可以實現很高的光熱轉化率。這種表面對地球上的太陽光 譜中的輻射表現出優良的吸收，同時強烈地反射熱波長，也就是說，它們 僅僅輻射出少量被吸收的熱量。由于沒有顯示所述表面性質的天然材料存 在，因此必須用專門的涂層來產生選擇性。

通常，可通過吸收器-反射器串聯來獲得吸收器光譜選擇性的效果。對 ＜2.5μm的波長具有低反射(高太陽能吸收)并且能透過IR范圍內熱波長的 吸收層被置于對＞2.5μm波長具有高反射(低的熱發射率)的金屬表面上(圖 1)。從而，吸收層確保在對熱發射率影響最小的情況下具有最大的太陽能吸 收，而該熱發射率由反射器層或金屬襯底主導。許多位于金屬襯底上的金 屬陶瓷復合層都顯示出這種光學特性。

普通可商購的選擇性太陽能吸收器是由電鍍、陽極化以及化學氧化技 術來制備。用電化學方法制備的最普遍使用的選擇性光熱吸收器層是黑鉻、 黑鋅、氧化銅、黑鈷、黑鎳、氧化鐵以及著色氧化鋁(pigmented?alumina)。

這種吸收器的太陽能吸收率為0.9且熱發射率為0.1至0.3，并且通常 直至425到500°開爾文的溫度都是熱穩定的。這些制備方法需要有毒的酸 浴以及復雜的金屬鹽組合。此外，來自所述制備方法的廢棄物是有毒且危 害生態的，它們的管理(處理)會產生問題。

此外，就這些方法而言，有時很難或者甚至不可能使吸收器的光學性 質與所需要的性質非常精確地匹配。

在過去的約二十年中，由于金屬-陶瓷復合材料的薄膜或層具有適當且 可調整的光學性質，考慮到它們適合作為選擇性太陽能吸收器，人們已經 對其進行了徹底的研究。

金屬-陶瓷復合材料，同樣稱為金屬陶瓷，其包含陶瓷基體，該基體具 有分散于其中的金屬納米顆粒。由于許多金屬陶瓷層具有相當高的IR透明 度并且同時具有很高的太陽能吸收，它們注定要被用作選擇性吸收器。因 此，使用這種金屬陶瓷層作為吸收器被人們廣泛接受。此外，這種涂層在 變化的熱條件下同樣顯示出長時間的穩定性。

復合納米材料涂層的光學性質易受層厚度、金屬相體積分數、幾何形 狀以及粒度的影響。同時，傳導性顆粒的分布特征可能對金屬陶瓷層的歸 一化折射指數產生決定性影響。例如，從空氣-金屬陶瓷分界面直至襯底- 金屬陶瓷分界面的金屬顆粒濃度的逐漸增大會導致由表面反射降低而引起 的更高吸收率。

經由濺射技術而沉積是一種非常潔凈的方法，其不需要化學浴以及有 害的酸。這種沉積方法可實現由高純度目標材料產生具有受控層厚度的高 質量光學涂層。商業上，已經通過使用圓柱型或滾動型濺射技術生產出各 種選擇性金屬介電涂層，例如SS-C、SS-AIN(SS＝不銹鋼)、Al-N和TiNO_x。

這種情形中存在的問題是，濺射技術相當麻煩并且昂貴，分別需要高 技術的電壓源以及大真空室或者潔凈室條件，并且需要能調整氣體組成、 層厚度以及壓力條件的精確控制系統和調節系統。總體上，該方法需要的 能量消耗同樣很高。

考慮到太陽能市場目前的狀況，其仍然處于發展的初始階段，吸收器 層仍然是集熱器最昂貴的部件，所以濺射目前并不是生產低價太陽能集熱 器的經濟手段。

與濺射層相反，太陽能吸收器涂料代表了一種價格較低廉的變化形式， 然而，它們顯示出由所引入有機聚合物粘合劑振動方式而引起的80至90％ 的非常高的熱發射率，并且它們的長期穩定性依然較差。通過使用有機改 性的硅氧烷樹脂已經使這種涂料的穩定性得到了改善。然而，到目前為止， 由于涂料基吸收器的光學性質低劣，通常它們被用于非選擇性或中等選擇 性的吸收器。

通過將石墨層與機械磨光襯底結合，人們獲得了一種低成本、機械制 備的太陽能吸收器。就磨光參數而言，這種涂層是高靈敏度的，太陽能吸 收在0.9左右并且熱發射高達0.22。