[發明專利]一種全氮化物耐候性光熱涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201310202827.6
• 申請日: 2013-05-27
• 公開（公告）號: CN103267379A
• 公開（公告）日: 2013-08-28
• 發明（設計）人: 歐陽俊;馮君校;盧郁;王現洋
• 申請（專利權）人: 歐陽俊
• 主分類號: F24J2/48
• 分類號: F24J2/48;C23C14/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 崔苗苗

技術領域

本發明涉及太陽能全氮化物耐候性光熱涂層及其制備方法，屬于復合薄膜材料制備技術領域。

背景技術

太陽能光熱選擇性吸收涂層是太陽能集熱器中用于吸收太陽光能的核心功能部分。它是一組具有多層結構的薄膜體系，如圖1所示，其包含附著于基材1表面的紅外反射底層2、吸收層3和減反層4。

太陽能選擇性吸收涂層將太陽能轉化成熱能，涂層與基材的溫度由此升高，并以紅外熱波形式向環境輻射能量。為了提高能量得失比例，要求該涂層體系能夠充分吸收地面上接收到的太陽能光譜中能量集中的部分，同時較少的向環境輻射紅外熱波。此即選擇性吸收的背景要求。所謂的“選擇性吸收”，在申請的上下文中，是指該涂層體系的光吸收性對光譜具有選擇性，即在太陽能光譜波長0.3--2.5微米范圍內具有較高的吸收比α值，同時在紅外光譜范圍內具有低的紅外發射比ε值。太陽能吸收比α與紅外發射比ε是太陽能選擇性吸收涂層體系兩項最重要的光熱性能指標，其中太陽能吸收比α取決于吸收層和減反層的選擇，紅外發射比ε主要取決于紅外反射底層材料的選擇，并受到吸收層的影響。通常，基材或其表面采用滿足針對紅外反射底層要求的材料而成為太陽能選擇性吸收涂層體系的一部分。

迄今為止，對于0.3--2.5微米波長范圍內的太陽光，采用真空鍍膜技術制備的市售太陽能集熱器或太陽能選擇性吸收涂層，其吸收比已經能夠達到0.93左右，紅外發射比降到0.1以下。實踐中，當選擇性吸收涂層的太陽能吸收比在0.92至0.96（最高太陽能吸收比理論值）之間時，吸收效率已難以具有實際意義的變化。

利用磁控濺射鍍膜技術制備太陽能選擇性吸收涂層，依序一般包括以下步驟：

（1）采用具紅外高反射性金屬基材，或將具紅外高反射性金屬鍍覆在基材（如不銹鋼）表面，形成紅外反射底層；

（2）在紅外反射底層上沉積吸收層，通過連續改變反應氣體注入流量，產生不同的吸收亞層；整個吸收層的化學成分呈梯度變化。

（3）在吸收層上沉積減反層，一般為陶瓷材料（氧化物或氮化物）。

磁控濺射技術例如在圖2所示的真空室內進行的，其中磁場與電場垂直相交，使得電子在空間做螺旋擺線運動移至陽極（即基材）。經典理論中，電子在途中撞擊氬原子導致氬原子分裂成氬離子和另一個自由電子。氬正離子在電磁場的作用下轟擊陰極（即靶材）。濺射出的陰極金屬粒子沉積在陽極基材上；濺射出的二次電子加入電子運動形成了自持的光輝放電。磁控濺射的電源可以使用直流電源、脈沖電源、中頻交流電源、射頻電源或組合使用上述幾種電源。

通過直流磁控濺射技術可以獲得多樣化的金屬薄膜材料，該技術使用惰性氣體（一般為氬氣）為濺射媒介。通過反應磁控濺射技術可以獲得多樣化的電介質薄膜或金屬-非金屬復合薄膜材料，這些電介質材料是金屬靶材與活性氣體反應生成的。惰性氣體和活性氣體可以單獨或混合后通過進氣管注入真空腔室。在濺射鍍膜的同時，用真空泵維持真空。氣體注入流量以sccm為單位，即每分鐘的氣體注入量以在標準狀況下立方厘米為單位的氣體體積計算。國內太陽能光熱產業現有的真空鍍膜設備中，一般通過擴散泵獲取設備真空，擴散泵機油極易氧化，進而影響設備真空狀況。

在真空鍍膜實踐中，必須根據真空室的體積和形狀、可以達到的真空泵抽氣效率和真空鍍膜功率等因素調試工藝參數，以制備符合要求的薄膜材料。可調試的主要工藝參數包括各種氣體的注入流量、真空鍍膜功率和濺射時間等。真空鍍膜功率越大，金屬離子沉積越快；濺射時間基本上僅與沉積厚度相關。在沉積金屬-非金屬復合材料時，提高真空鍍膜功率，則需要相應地提高反應氣體的注入流量以獲得特定的金屬與非金屬比例。然而，功率過大時反應不穩定，不能獲得均勻的薄膜材料。

發明內容

本發明的目的是提供一種全氮化物耐候性光熱涂層及其制備方法，該涂層采用雙吸收層結構、在制備工藝方面易于調控，耐候性好，適于在真空或空氣中高溫工作，其太陽能吸收比大于0.92，紅外發射比小于0.1。

本發明采取的技術方案為：

一種全氮化物耐候性光熱涂層，以銅、鋁或鐵素體不銹鋼作為基材，依次包括第一吸收亞層、第二吸收亞層、氮化硅減反層，第一吸收亞層沉積30-150nm，第二吸收亞層沉積30-150nm，第二吸收亞層中的金屬含量低于第一吸收亞層，氮化硅減反層沉積厚度為20-60nm。

優選鐵素體不銹鋼作為基材。

上述全氮化物耐候性光熱涂層的制備方法，包括步驟如下：