[發(fā)明專(zhuān)利]一種納米復(fù)合Cr-Al-O太陽(yáng)光譜選擇吸收涂層及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310189629.0
• 申請(qǐng)日: 2013-05-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103255377A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-08-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉輝東;楊兵;萬(wàn)強(qiáng);王如意
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C23C14/32
• 分類(lèi)號(hào): C23C14/32;C23C14/08;C23C14/54;F24J2/48;B32B15/04
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及薄膜材料領(lǐng)域，特別涉及一種納米復(fù)合Cr-Al-O太陽(yáng)光譜選擇吸收涂層及其制備方法。

背景技術(shù)

在太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換裝置中，首先要使太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)換成熱能，能夠?qū)崿F(xiàn)這種功能的部件就是太陽(yáng)能集熱器。該部件核心的部分是太陽(yáng)光譜選擇吸收涂層。這種涂層吸收太陽(yáng)光譜紫外到近紅外范圍內(nèi)的大部分光波，而在紅外波段則是透過(guò)的，將涂層沉積在金屬基底上可利用其高紅外反射的特性將紅外波反射掉。這樣設(shè)計(jì)的目的是盡可能避免因涂層吸收紅外光波而帶來(lái)高的熱發(fā)射率，造成熱能損失，尤其隨涂層工作溫度的升高，這部分熱損失就越嚴(yán)重。因此涂層的性能的好壞決定太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)效率的高低。

涂層的光譜選擇吸收特性是其性能評(píng)價(jià)的最要因素。在上世紀(jì)60-80年代研究這種涂層的初期，研究者大都采用在高反射金屬基底沉積單一吸收層的設(shè)計(jì)概念，這種結(jié)構(gòu)的涂層的吸收比在0.8以下，發(fā)射在0.1左右；增加減反射層后涂層的吸收比可提高到0.85，而對(duì)其發(fā)射率沒(méi)多大影響。但還不能滿足實(shí)際應(yīng)用對(duì)高的光熱轉(zhuǎn)換效率的要求。到了上世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，研究者通過(guò)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)可通過(guò)吸收層的成分漸變來(lái)實(shí)現(xiàn)涂層的光學(xué)層數(shù)的漸變，這種涂層的吸收比可高達(dá)0.9，大大促進(jìn)了太陽(yáng)光譜選擇吸收涂層的研究。但是這種結(jié)構(gòu)的涂層由于成分漸變?cè)斐善湓?500-2500nm波段的高吸收到高反射轉(zhuǎn)變的過(guò)于緩慢，導(dǎo)致其發(fā)射率高于0.2而不能滿足實(shí)際的應(yīng)用要求。本世紀(jì)出，研究者提出了四層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)概念，即在基底先沉積一層高紅外反射金屬以降低涂層的發(fā)射，再在其上面依次沉積兩層吸收層，其中的低金屬含量層疊在高金屬含量層上，以大量吸收太陽(yáng)輻射，最后再沉積一層電介質(zhì)層以降低涂層對(duì)太陽(yáng)輻射的反射。這種涂層的吸收機(jī)理有兩種：一種是本征吸收，主要是通過(guò)高金屬含量的兩吸收層實(shí)現(xiàn)；一種是干涉相消吸收，主要是通過(guò)四層結(jié)構(gòu)的組合后的在太陽(yáng)輻射波段的干涉相消效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)該設(shè)計(jì)概念制備的涂層吸收比高達(dá)0.95而發(fā)射率在0.2?以下，可以滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。而且同時(shí)期的納米材料的微結(jié)構(gòu)研究也發(fā)現(xiàn)，高金屬含量的吸收層是由納米尺度的金屬顆粒鑲嵌在金屬氧化物電介質(zhì)的基體上構(gòu)成。這種復(fù)合材料對(duì)太陽(yáng)輻射大量吸收是由納米金屬顆粒表面的大量電子在入射光的電磁場(chǎng)作用產(chǎn)生強(qiáng)烈的振蕩而引起的，也就是表面等離子振蕩吸收作用。這大大方便研究者制備太陽(yáng)光譜選擇吸收涂層。

目前電化學(xué)鍍技術(shù)和物理氣相沉積技術(shù)是制備選擇吸收涂層的主要技術(shù)。采用電化學(xué)鍍技術(shù)中的電鍍技術(shù)，已成功制備出黑鉻和黑鎳涂層，具有良好的選擇吸收性；電化學(xué)鍍技術(shù)中的另外一種技術(shù)是電化學(xué)轉(zhuǎn)化法，其中最成熟的工藝是鋁陽(yáng)極氧化膜，這種涂層是無(wú)色透明的多孔膜，具有很高的吸收比和很低的發(fā)射率。但電化學(xué)法制備的涂層熱穩(wěn)定性差，并且其環(huán)境污染問(wèn)題還沒(méi)有有效的解決辦法，該方法正被逐漸被淘汰，取代的方法是物理氣相沉積技術(shù)。應(yīng)用于制備太陽(yáng)光譜選擇吸收涂層的物理氣相沉積技術(shù)主要是蒸鍍技術(shù)和磁控濺射技術(shù)。最先使用的方法是蒸鍍技術(shù)，在紅外高反射金屬表面沉積一層半導(dǎo)體薄膜，由于半導(dǎo)體大量吸收其吸收限波長(zhǎng)以下的光波，對(duì)吸收限波長(zhǎng)以上的光波則是透明的，金屬基底對(duì)透過(guò)半導(dǎo)體層的光波高反射，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光譜的選擇吸收。但蒸鍍技術(shù)也存在不足，由于沉積的涂層均勻性差，這種方法不適合大面積沉積太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層，并且沉積速率難以控制和涂層中出現(xiàn)大量的針孔，影響涂層的質(zhì)量，限制了這種技術(shù)的廣泛應(yīng)用。在制備太陽(yáng)光譜選擇吸收涂層的叢多技術(shù)中，磁控濺射技術(shù)是最成熟的也是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。該技術(shù)制備的涂層厚度可以控制，可以結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行涂層的制備。采用有效介質(zhì)理論和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，通過(guò)數(shù)值優(yōu)化，可以計(jì)算出具體涂層材料獲得最佳選擇吸收性的光學(xué)參數(shù)和厚度，然后利用該技術(shù)厚度可控的優(yōu)勢(shì)制備出涂層。該方法制備的涂層的吸收比高達(dá)0.9，發(fā)射率低于0.2，在真空中具有較好的熱穩(wěn)定性；已在太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)和其他中低溫太陽(yáng)能利用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。但該方法由于濺射金屬原子的離化率低，制備的涂層中金屬成分價(jià)態(tài)低，在空氣中進(jìn)一步氧化，造成其熱穩(wěn)定性差（低于400℃），涂層在400℃以上的空氣中短時(shí)保溫出現(xiàn)吸收比大幅度下降發(fā)射率大幅度升高及由于應(yīng)力作用產(chǎn)生裂紋甚至剝落的現(xiàn)象，說(shuō)明涂層的熱穩(wěn)定性和高溫附著力較差，限制其在中高溫空氣環(huán)境中的應(yīng)用；并且該方法的沉積速率較慢，這增加了涂層的制備周期，增加了成本。因此，尋求一種既無(wú)環(huán)境污染又保持涂層的高吸收和低發(fā)射特性且在高溫下具有較好涂層附著力的制備工藝是一個(gè)急需的課題，同時(shí)尋找具有更高熱穩(wěn)定性的新材料也成為一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。