專利名稱：一種高溫太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能利用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高溫太陽能選擇性吸收涂層及其 制備方法。
背景技術(shù)：
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(fā)射率的功能薄膜，是用于太陽能集熱器，提高光熱轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。隨著太陽能熱利 用需求和技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽能集熱管的應(yīng)用范圍從低溫應(yīng)用(彡IO(TC)向中溫應(yīng)用 (IOO0C -3500C )和高溫應(yīng)用(350°C -500°C )發(fā)展，以不斷滿足海水淡化、太陽能發(fā)電等中 高溫應(yīng)用領(lǐng)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?zé)岱€(wěn)定性，適 應(yīng)中高溫環(huán)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 Ν -Α1203以及具有成分漸變特征的SS-C/SS(不銹鋼)和A1-N/A1等膜系，應(yīng)用于溫度在 200°C以內(nèi)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(fā)射率隨溫度 上升明顯升高，導(dǎo)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(wěn)定性，Mo-A1203/Cu、 SS-A1N/SS等材料體系得到了研究和發(fā)展，采用了雙靶或多靶金屬陶瓷共濺射技術(shù)，其中 Mo-Al203/Cu體系的特點是MO-A1203吸收層具有成分漸變的多亞層結(jié)構(gòu)，A1203層采用射 頻濺射方法，SS-A1N/SS體系的特點是吸收層采用了干涉膜結(jié)構(gòu)，使熱穩(wěn)定性提高。上述涂 層在使用溫度350°C -500°C范圍內(nèi)的聚焦型中高溫集熱管表面獲得了應(yīng)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(chǎn)周期長，工藝復(fù)雜，成本高。對于太陽能的中高溫利用，需要一種吸收率高、發(fā)射率低、熱穩(wěn)定性好，而且工藝 簡便的選擇性吸收涂層及制備技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高溫太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法，適用于高 溫(30(rc-50(rc)工作溫度集熱管，涂層吸收率高、發(fā)射率低、熱穩(wěn)定性好，制備工藝簡便， 操作方便，生產(chǎn)周期短，濺射工況穩(wěn)定?！N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Ti膜、Al膜或者TiAl合金膜之中的任何一種組成，厚度在 50 250nm ；第二層吸收層包括兩個亞層結(jié)構(gòu)，兩個亞層均為TiAlCN+TiAl膜，第一亞層和 第二亞層的厚度均為50 lOOnm，第一亞層TiAl的體積百分比大于第二亞層TiAl的體積 百分比；第三層減反射層由TiO2膜或者Al2O3膜中任何一種組成，厚度均為20 60nm。一種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(fā)射層；
采用純金屬靶中頻磁控濺射方法制備在基體表面，純金屬靶為Ti靶或Al靶，以Ar 氣作為濺射氣體制備Ti膜、Al膜或者TiAl合金膜，紅外發(fā)射層厚度在50 250nm ； 步驟二 在第一層涂層上制備第二層吸收層；采用金屬Ti靶和Al靶中頻磁控濺射方法，通入Ar、N2和C2H2的混合氣體，Ar的 流量為100 140sccm，N2的流量為30 60sccm，C2H2的流量為5 8sccm，在紅外反射層 上制備第一亞層TiAlCN+TiAl膜，厚度為50 IOOnm ；增加N2的流量為40 70SCCm，繼續(xù)制備第二亞層TiAlCN+TiAl膜，厚度為50 IOOnm ；步驟三在第二層上制備第三層減反射層；第三層減反射層由TiO2或者Al2O3膜構(gòu)成；當(dāng)由TiO2膜構(gòu)成時采用Ti靶中頻濺射方法，以Ar氣作為濺射氣體，通入O2作 為反應(yīng)氣體制備，調(diào)節(jié)Ar與O2流量比為1.5 1 2 1，制備厚度為20 60nm的TiO2 膜；當(dāng)由Al2O3膜構(gòu)成時采用Al靶中頻磁控濺射方法，通入惰性氣體Ar作為濺射氣 體，制備厚度為20 60nm的Al2O3膜。本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明所提供的選擇性吸收涂層由金屬紅外反射層、TiAlCN+TiAl以及TiO2的混 合物組成的雙干涉吸收層和陶瓷減反射層組成，具有可見_紅外光譜高吸收率，紅外光譜 低發(fā)射率的特點，并且由于采用高熔點的金屬Ti以及Ti\Al的氮碳化物，具有良好的中高 溫?zé)岱€(wěn)定性。該涂層制備工藝簡便、操作方便、易于控制、縮短生產(chǎn)周期，與選擇性吸收涂層 由Nb紅外反射層、Nb與Al2O3的混合物組成的雙干涉吸收層和Al2O3減反射層相比較，本涂 層選擇的原材料Ti\Al是常規(guī)材料，應(yīng)用范圍比較廣，成型性能好，可以加工成柱狀靶材， 顯著提高靶材利用率，同時價格也比較低廉，可以進一步降低工作成本。適用于中高溫工作 溫度的太陽能集熱管。


圖1為選擇性吸收涂層剖面示意圖。圖中
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明。 本發(fā)明是一種太陽選擇性吸收涂層，結(jié)合剖面如圖1所示，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Ti膜、Al膜或者TiAl合金膜之中的任何一種組成，厚度在 50 250nm ；第二層吸收層包括兩個亞層結(jié)構(gòu)，兩個亞層均為TiAlCN+TiAl膜，第一亞層和 第二亞層的厚度均為50 lOOnm，第一亞層TiAl的體積百分比比第二亞層TiAl的體積百 分比大10%，第一亞層TiAl的體積百分比為20 40%，第二亞層TiAl的體積百分比為 10 30% ；第三層減反射層為TiO2膜或者Al2O3膜，任選其一厚度均為20 60nm。一種太陽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(fā)射層；采用純金屬靶中頻磁控濺射方法，純金屬靶為Ti靶或Al靶，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(yù)抽本底真空至4X 10_3 5X 10_3Pa，通入惰性 氣體Ar作為濺射氣氛，調(diào)整濺射距離為130 150mm，調(diào)節(jié)濺射氣壓為3 X 10—1 4X lO—Pa。 開啟純金屬靶的濺射靶電源，調(diào)整濺射電壓為380 450V，濺射電流為8 10A，利用中頻 濺射方式制備，涂層厚度在50 250nm，該層對紅外波段光譜具有高反射特性，發(fā)射率低；步驟二 在第一層涂層上制備第二層吸收層；采用金屬Ti靶和Al靶中頻磁控濺射方法，反應(yīng)氣體為N2和C2H2，首先，將真空 室預(yù)抽本底真空至4X 10_3 5X 10_3Pa，同時然后通入Ar、N2和C2H2的混合氣，Ar的流量 為100 140sccm，N2的流量為30 60sccm，C2H2的流量為5 8sccm，調(diào)節(jié)濺射氣壓為 3X IO"1 4X KT1Pa,分別開啟Ti和Al靶電源，濺射時，調(diào)整Ti靶濺射電壓為380 450V, 濺射電流為8 10A，Al靶濺射電壓為380 450V，濺射電流為8 10A，在紅外反射層上 制備第一亞層TiAlCN+TiAl膜，厚度為50 IOOnm ；增加N2的流量為40 70SCCm，繼續(xù)制備第二亞層TiAlCN+TiAl膜，厚度為50 IOOnm ；第一亞層和第二亞層除自身對太陽光譜具備固有吸收特性外，還形成干涉吸收效 應(yīng)，加強了涂層的光吸收作用；步驟三在第二層上制備第三層減反射層；第三層減反射層由TiO2或者Al2O3膜構(gòu)成；當(dāng)由TiO2膜構(gòu)成時采用Ti靶，濺射前將真空室預(yù)抽本底真空至4X 10_3 5X IO-3Pa,以Ar氣作為濺射氣體，通入O2作為反應(yīng)氣體制備，調(diào)節(jié)Ar與O2流量比為 1. 5 1 2 1，調(diào)整濺射距離為130 150mm，調(diào)節(jié)濺射氣壓為3X 10—1 4X ICT1Pa,濺 射時，調(diào)整濺射電壓為380 450V，濺射電流為8 10A，利用中頻磁控濺射方式制備厚度 為20 60nm的TiO2膜即為減反射層。當(dāng)由Al2O3膜構(gòu)成時采用Al靶，濺射前將真空室預(yù)抽本底真空至4X 10_3 5X 10_3Pa，通入惰性氣體Ar作為濺射氣體，調(diào)節(jié)濺射氣壓為3X 10—1 4X10^3。濺射時， 調(diào)整濺射電壓為380 450V，濺射電流為8 10A，利用中頻磁控濺射方式制備厚度為20 60nm的Al2O3膜即減反射層。減反射層具有增透、耐磨、抗氧化的作用。實施例制備一種太陽能選擇性吸收涂層，包括三個涂層即第一層紅外反射層、第二層吸 收層、第三層減反射層，第一層厚度為100 250nm，第二層總厚度為110 150nm，其中第 一亞層厚度為60 80nm，第二亞層厚度為50 70nm，第三層厚度為30 50nm。制備步驟 如下步驟一在基體上制備第一層紅外發(fā)射層；選用純度99. 99%的Ti靶和純度為99. 99%的Al靶，基材使用高速鋼。濺射前 將真空室預(yù)抽本底真空至4. 5 X ΙΟ"3 5X 10_3Pa，通入惰性氣體Ar作為濺射氣氛，調(diào)整濺 射距離為140 150mm，調(diào)節(jié)濺射氣壓為3. 5 X IO"1 4X lO—Pa。開啟Ti靶和Al靶，調(diào)整 濺射電壓為400 420V，濺射電流為8 8. 5A，利用中頻濺射方式制備100 250nm厚的 TiAl 膜；
步驟二 在第一層涂層上制備第二層吸收層；采用金屬Ti靶和Al靶中頻磁控濺射方法，同時通入Ar、N2和C2H2的混合氣，Ar的流量為110 140sccm，N2的流量為40 60sccm，C2H2的流量為6 8sccm，調(diào)節(jié)濺射氣壓 為0. 41 0. 42Pa，分別開啟Ti和Al靶電源，調(diào)整Ti靶濺射電壓為410 420V，濺射電流 為8 8. 5A，Al靶濺射電壓為400 410V，濺射電流為8 8. 3A，在AlTi膜上制備60 80nm厚的第一亞層TiAlCN+TiAl膜；調(diào)節(jié)N2的流量為50 70SCCm，繼續(xù)制備厚度為50 70nm的第二亞層 TiAlCN+TiAl 薄膜；步驟三在第二層上制備第三層減反射層；選用純度99. 99 %的Ti靶，濺射前將真空室預(yù)抽本底真空至4. 5X 10_3 5父10-節(jié)￡1，同時通入41~、02混合氣，調(diào)節(jié)41~與02流量比為2 1 3 1，調(diào)整濺射距離為 145 150mm，調(diào)節(jié)濺射氣壓為0. 41 0. 42Pa，濺射時，調(diào)整濺射電流為8 8. 3A，濺射電 壓為400 420V，利用中頻磁控濺射方式制備30 50nm厚TiO2膜。本實施例制備的太陽能選擇性吸收涂層的性能如下在大氣質(zhì)量因子AMI. 5條件 下，涂層吸收率為94. 5%，法向發(fā)射率為0. 08。進行真空退火處理，在2 X IO-2Pa真空度下， 經(jīng)350°C真空退火1小時后，涂層吸收率為94%，法向發(fā)射率為0. 08，在2X10_2Pa真空度 下，經(jīng)500°C真空退火1小時后，涂層吸收率為93%，法向發(fā)射率為0. 08。
權(quán)利要求
一種高溫太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于，涂層包括三層膜，從基體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Ti膜、Al膜或者TiAl合金膜之中的任何一種組成，厚度在50～250nm；第二層吸收層包括兩個亞層結(jié)構(gòu)，兩個亞層均為TiAlCN+TiAl膜，第一亞層和第二亞層的厚度均為50～100nm，第一亞層TiAl的體積百分比大于第二亞層TiAl的體積百分比；第三層減反射層由TiO2膜或者Al2O3膜中任何一種組成，厚度均為20～60nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于，所述吸收層 的第一亞層TiAl的體積百分比比第二亞層TiAl的體積百分比大10%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于，所述吸收層 的第一亞層TiAl的體積百分比為20 40%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于，所述吸收層 的第二亞層TiAl的體積百分比為10 30%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于，所述的 TiAlCN+TiAl膜是通過如下方法制備得到采用金屬Ti靶和Al靶中頻磁控濺射方法，反應(yīng)氣體為N2和C2H2，首先，將真空室預(yù) 抽本底真空至4X 10_3 5X 10_3Pa，然后通入Ar、N2和C2H2的混合氣，Ar的流量為100 140sccm, N2的流量為30 60sccm，C2H2的流量為5 8sccm，調(diào)節(jié)濺射氣壓為3 X ICT1 4X KT1Pa,分別開啟Ti和Al靶電源，濺射時，調(diào)整Ti靶濺射電壓為380 450V，濺射電流 為8 10A，A1靶濺射電壓為380 450V，濺射電流為8 10A，制備第一亞層TiAlCN+TiAl 膜；增加N2的流量，制備第二亞層TiAlCN+TiAl膜。
6.一種高溫太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，其特征在于，包括以下幾個步驟步驟一在基體上制備第一層紅外發(fā)射層；采用純金屬靶中頻磁控濺射方法制備在基體表面，純金屬靶為Ti靶或Al靶，以Ar氣 作為濺射氣體制備Ti膜、Al膜或者TiAl合金膜，紅外發(fā)射層厚度在50 250nm ；步驟二 在第一層涂層上制備第二層吸收層；采用金屬Ti靶和Al靶中頻磁控濺射方法，通入Ar、N2和C2H2的混合氣體，Ar的流量 為100 140sccm，N2的流量為30 60sccm，C2H2的流量為5 8sccm，在紅外反射層上制 備第一亞層TiAlCN+TiAl膜，厚度為50 IOOnm ；增加N2的流量為40 70SCCm，繼續(xù)制備第二亞層TiAlCN+TiAl膜，厚度為50 IOOnm ；步驟三在第二層上制備第三層減反射層；第三層減反射層由TiO2或者Al2O3膜構(gòu)成；當(dāng)由TiO2膜構(gòu)成時采用Ti靶中頻濺射方法，以Ar氣作為濺射氣體，通入O2作為反應(yīng) 氣體制備，調(diào)節(jié)Ar與O2流量比為1.5 1 2 1，制備厚度為20 60nm的TiO2膜；當(dāng)由Al2O3膜構(gòu)成時采用Al靶中頻磁控濺射方法，通入惰性氣體Ar作為濺射氣體，制 備厚度為20 60nm的Al2O3膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高溫太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法，涂層從底層到表面依次為紅外反射層、吸收層、減反射層，第一層紅外反射層由Ti膜、Al膜或者TiAl合金膜之中的任何一種組成，厚度在50～250nm；第二層吸收層包括兩個亞層結(jié)構(gòu)，均為TiAlCN+TiAl膜，厚度均為50～100nm，第一亞層TiAl的體積百分比大于第二亞層TiAl的體積百分比；第三層減反射層由TiO2膜或者Al2O3膜中任何一種組成，厚度均為20～60nm。采用純金屬靶中頻磁控濺射方法在基體表面制備紅外發(fā)射層，采用金屬Ti靶和Al靶中頻磁控濺射方法在第一層上制備第二層吸收層，采用金屬靶中頻磁控濺射方法在第二層上制備第三層減。
文檔編號C23C14/35GK101806508SQ201010116609
公開日2010年8月18日 申請日期2010年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月26日
發(fā)明者劉雪蓮, 盧鐵軍, 張秀廷, 范兵, 薛文, 陳步亮 申請人:北京天瑞星真空技術(shù)開發(fā)有限公司