[發明專利]一種具有TiO2和Al2O3雙陶瓷結構高溫太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201110243490.4
• 申請日: 2011-08-23
• 公開（公告）號: CN102328476A
• 公開（公告）日: 2012-01-25
• 發明（設計）人: 張秀廷;范兵;王靜;楊興
• 申請（專利權）人: 北京天瑞星真空技術開發有限公司
• 主分類號: B32B15/04
• 分類號: B32B15/04;B32B9/04;B32B33/00;C23C14/35;C23C14/08
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 官漢增

技術領域

本發明屬于太陽能利用技術領域，具體涉及一種具有TiO₂和Al₂O₃雙陶瓷結構高溫太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法。

背景技術

太陽光譜選擇性吸收涂層在可見-近紅外波段具有高吸收率，在紅外波段具有低發射率的功能薄膜，是用于太陽能集熱器，提高光熱轉換效率的關鍵。隨著太陽能熱利用需求和技術的不斷發展，太陽能集熱管的應用范圍從低溫應用(≤100℃)向中溫應用(100℃-350℃)和高溫應用(350℃-500℃)發展，以不斷滿足海水淡化、太陽能發電等中高溫應用領域的使用要求。對于集熱管使用的選擇性吸收涂層也要具備高溫熱穩定性，適應中高溫環境的服役條件。

對于太陽能選擇性吸收涂層目前已研究和廣泛使用了黑鉻、陽極氧化著色Ni-Al2O3以及具有成分漸變特征的SS-C/SS(不銹鋼)和Al-N/Al等膜系，應用于溫度在200℃以內的平板型集熱裝置的集熱管表面。但在中高溫條件下，由于其紅外發射率隨溫度上升明顯升高，導致集熱器熱損失明顯上升，熱效率顯著下降。

為了提高中高溫服役條件下選擇性吸收涂層的熱穩定性，Mo-Al2O3/Cu、SS-AlN/SS等材料體系得到了研究和發展，采用了雙靶或多靶金屬陶瓷共濺射技術，其中Mo-Al2O3/Cu體系的特點是Mo-Al2O3吸收層具有成分漸變的多亞層結構，Al2O3層采用射頻濺射方法，SS-AlN/SS體系的特點是吸收層采用了干涉膜結構，使熱穩定性提高。上述涂層在使用溫度350℃-500℃范圍內的聚焦型中高溫集熱管表面獲得了應用。但是雙靶或多靶共濺射、射頻濺射等工藝沉積速率低，生產周期長，工藝復雜，成本高。

對于太陽能的中高溫利用，需要一種吸收率高、發射率低、熱穩定性好，而且工藝簡便的選擇性吸收涂層及制備技術。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明于提供一種具有TiO₂和Al₂O₃雙陶瓷結構高溫太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法，適用于高溫(300℃-500℃)工作溫度集熱管，涂層吸收率高、發射率低、熱穩定性好，制備工藝簡便，操作方便，生產周期短，濺射工況穩定。

本發明提供一種具有TiO₂和Al₂O₃雙陶瓷結構高溫太陽能選擇性吸收涂層，包括三層膜，從底層到表面依次為紅外反射層、吸收層和減反射層；

第一層紅外反射層由Cu膜或者Ag膜組成，位于基體表面，厚度在50～250nm；第二層吸收層包括兩個亞層結構，兩個亞層均為TiO₂+Al₂O₃膜，第一亞層和第二亞層的厚度均為50～100nm，第一亞層和第二亞層的厚度可以相等也可以不相等；第一亞層中TiO₂的體積百分比為20～40％，其余為Al₂O₃；第二亞層TiO₂的體積百分比為10～30％其余為Al₂O₃；第三層減反射層由Al₂O₃膜，厚度為20～60nm。

本發明提供一種具有TiO₂和Al₂O₃雙陶瓷結構高溫太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，包括以下幾個步驟：

步驟一：在基體上制備第一層紅外發射層；

采用純金屬靶直流或中頻磁控濺射方法，純金屬靶為Cu靶或Ag靶(純度99.99％)，以Ar氣作為濺射氣體制備，基體采用高速鋼。濺射前將真空室預抽本底真空至4×10^-3～5×10^-3Pa，通入惰性氣體Ar作為濺射氣氛，Ar氣流量為100～140sccm，調整濺射距離為130～150mm，調節濺射氣壓為3×10^-1～4×10^-1Pa。開啟純金屬靶的濺射靶電源，調整濺射電壓為380～450V，濺射電流為8～10A，利用直流濺射方式制備，涂層厚度在50～250nm，得到第一層紅外發射層，該層對紅外波段光譜具有高反射特性，發射率低；

步驟二：在第一層紅外發射層上制備第二層吸收層；