[發明專利]一種金屬氮化物太陽光譜選擇性吸收涂層

在審

• 申請號: 201310278545.4
• 申請日: 2013-07-04
• 公開（公告）號: CN104279779A
• 公開（公告）日: 2015-01-14
• 發明（設計）人: 杜淼;郝雷;蔣利軍;劉曉鵬;王笑靜;于慶河;米菁
• 申請（專利權）人: 北京有色金屬研究總院
• 主分類號: F24J2/48
• 分類號: F24J2/48;B32B15/04;B32B9/00
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司 11100
• 代理人: 程鳳儒

技術領域

本發明涉及一種太陽光譜選擇性吸收涂層，用于槽式太陽能熱發電系統中，也可用于太陽能工業加熱、太陽能空調和太陽能海水淡化系統中，屬于太陽能光熱利用技術領域。

背景技術

槽式真空集熱管的光熱轉換效率依賴于光譜選擇性吸收涂層的光學性質和高溫穩定性。一般來說，光譜選擇性吸收涂層需要具有高吸收率(＞0.94)和高溫時的低發射率(＜0.10，400℃)，因為涂層的熱輻射損失與T⁴成正比例關系。涂層在高溫環境中的穩定性也很重要，這決定了涂層的工作溫度。

金屬陶瓷復合涂層具有良好的熱穩定性，主要應用在中高溫領域，是近年來研究熱點之一。金屬陶瓷復合涂層是把金屬粒子摻入氧化物或氮化物等介質基體中，通過金屬的帶間躍遷和小顆粒的共振使涂層對太陽光譜有很強的吸收作用。多種過渡金屬與陶瓷基體形成的金屬陶瓷復合涂層(Pt-Al₂O₃，Ni-Al₂O₃，Mo-Al₂O₃，W-Al₂O₃，Ni-SiO₂等)均具有良好的光學性能和真空熱穩定性。但這些涂層在空氣中熱穩定性較差，這主要是因為金屬粒子在空氣環境中的氧化或擴散。同時，在制備過程中，由于氧氣作為反應氣體，所形成的復合涂層一般來說是M-MO-Al2O3，(M＝Pt、Ni、Mo、W、Ni等)，影響了涂層的光學性能。

過渡金屬氮化物或者氧化物在空氣中具有良好的熱穩定性，這是由于過渡金屬的d或f亞層具有未完全配對的電子，比如W₂N，Mo₂N等。在這些涂層中引入第三組元Al，形成WAlN、MoAlN，通過控制涂層中Al的含量可以得到金屬態至非金屬態的涂層，同時提高涂層的耐高溫性能。這些涂層是太陽能光譜選擇性吸收涂層的理想吸收層材料。

中國發明專利CN8510042涉及一種Al-N/A1選擇性吸收涂層，該涂層可采用單個技術Al靶反應濺射制備，工藝簡單、成本低，涂層的吸收率可達0.93，發射率0.06(100℃)。在中低溫太陽能真空集熱管上得到了廣泛應用。但該涂層在較高溫度工作時，涂層中的鋁粒子活性增加，金屬粒子和絕緣介質的熱擴散作用加強，涂層結構紊亂，涂層性能下降，影響了真空管的集熱效率和壽命。

中國發明專利CN96102331.7涉及一種M-AlN(M＝SS、W等)光譜選擇性吸收涂層，該涂層采用金屬靶在Ar+N₂氣氛下反應濺射形成。由于采用了雙直流電源，沉積效率增加，涂層耐溫性能得到提高。但該涂層只限于真空環境中工作，在空氣環境中金屬粒子發生氧化和擴散，導致涂層失效。

歐洲專利WO2012/172505Al涉及一種雙金屬氮化物復合涂層的光譜選擇性吸收涂層，將具有高溫穩定性的W_xN或Mo_xN摻雜在AlN_x中作為吸收層，由于金屬氮化物具有良好高溫穩定性，使涂層具有高溫熱穩定性。該發明專利中制備工藝復雜，需要W_xN或Mo_xN與AlN_x相互獨立成相，成本相對較高。

發明內容

本發明的目的是針對上述現有技術的缺陷，提出一種過渡金屬氮化物作為吸收層的太陽光譜選擇性吸收涂層，本發明之涂層具有光學性能優良、耐高溫能力強等特點，在制備工藝方面易于實現且調控簡單，適用于高溫環境條件下的太陽能光熱利用中。

本發明提出的光譜選擇性吸收涂層從基體向外，依次為金屬紅外高反射層、第一吸收層、第二吸收層、減反射層，其特征在于，所述第一吸收層和第二吸收層分別由成分不同的過渡金屬氮化物Mo₂N中引入第三組元Al形成的MoAlN構成。為了提高涂層的結合力和穩定性，在基底與金屬紅外高反射層之間增加粘結層，在金屬紅外高反射層與第一吸收層之間增加擴散阻擋層，在減反射層外側增加防護層。

本發明中的基底材料選取的是不銹鋼、Cu、Al、玻璃和Si中的一種；

本發明中的金屬紅外高反射層為純金屬W、Mo、Al、Cu、Au、Ag、Pt、Ni、Cr中的任意一種，厚度為30-500納米；