專利名稱：包埋鑭鋁合金納米團蔟的金屬陶瓷太陽能吸收涂層及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能光熱吸收薄膜技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及將具有高熔點特性之稀土金屬-金屬合金(RE-M)生成的納米團蔟包埋在氮化物金屬陶瓷中的新型光熱功能薄膜及其制備技術(shù)。
背景技術(shù)：
氮化物或氧化物金屬陶瓷薄膜具有優(yōu)異的光學(xué)性能，如Ti02，AlN, Al2O3，TiN等等，各自具有特定的光譜性能。像TiO2薄膜對紫外光吸收，而可見光可以通過；TiN和AlN 等薄膜對太陽光譜是完全透明的。氮化物或氧化物金屬陶瓷薄膜雖然各自有特定的光譜性能，但是，通過特殊的處理，采用摻雜、離子注入、包埋選定的元素團蔟等等手段，可以改變金屬陶瓷薄膜的光學(xué)性能。目前大批量生產(chǎn)的商用太陽能選擇性吸收薄膜基本上有兩種方法，這兩種方法都是基于金屬陶瓷薄膜包埋金屬納米團簇的原理，均采用磁控濺射方法實現(xiàn)。一種是稱為鋁-氮-鋁(Al-N-Al)的太陽能選擇性吸收薄膜，它是金屬鋁元素按照設(shè)定的比例包埋在氮化鋁金屬陶瓷中。由這種選擇性吸收薄膜為主制備的太陽能集熱器涂層結(jié)構(gòu)為在基體上制備銅 (Cu)或鋁(Al)金屬反射層薄膜，其上制備氮化鋁包埋鋁金屬納米團簇(Al-N-Al)的金屬陶瓷選擇性吸收薄膜層，最后是氮化鋁(AlN)減反射薄膜層。這種組合涂層對300nm至紅外光譜具有選擇性吸收性能，在太陽輻射區(qū)域有強烈的吸收。該組合涂層使用兩靶或單靶濺射爐生產(chǎn)(采用銅反射層時使用銅、鋁兩只靶，若用鋁為反射層時，使用一只鋁靶即可)，一只鋁靶在一定量的氮氣條件下的反應(yīng)濺射可以生成氮化鋁包埋鋁金屬團簇的金屬陶瓷薄膜，而要得到純凈的氮化鋁窗口層，只需改變提供氮氣的氣量，用同一只鋁靶就可以完成，該鋁靶或另加一只銅靶可以用來制作鋁反射層或銅反射層。以上復(fù)合涂層制備方法較為簡單，工藝也成熟，鋁的濺射速率較高因而相應(yīng)的生產(chǎn)效率也較高。制備的涂層對太陽光譜具有較好的吸收性能。但這種涂層不具備高溫下的熱穩(wěn)定性，涂層使用溫度局限在150°C左右，主要受限于鋁-氮-鋁(Al-N-Al)的太陽能選擇性吸收薄膜。另一種是96102331. 7發(fā)明專利公開的一種太陽能選擇性吸收涂層及其制法，其吸收涂層由金屬陶瓷組成，該金屬陶瓷是在混合氣體介質(zhì)中由多種金屬電極同時濺射在紅外反射金屬上，其中第二金屬電極和介質(zhì)中的活性氣體反應(yīng)，第一金屬電極則不與活性氣體反應(yīng)。其制作方法由以下步驟組成(a)用非反應(yīng)濺射工藝把一種紅外反射金屬層沉積在一種基底材料上；(b)在反射金屬層上沉積一種太陽能吸收涂層，該吸收涂層沉積為金屬陶瓷，金屬陶瓷則是在至少有一種活性氣體的混合氣體介質(zhì)中由第二金屬電極與介質(zhì)中的活性氣體反應(yīng)和第一金屬電極不與活性氣體反應(yīng)同時濺射而形成的。第一電極選擇鎢、鎢合金、不銹鋼、鎳、鎳合金、鎳合金、鎳鉻合金、鉬、銥、鋨、釕、 銠、徠、鉬、鉬合金及金。第二電極從鋁和鎂中選取。金屬陶瓷在氮氣(N)和一惰性濺射支持氣體存在下由第一、第二電極共同濺射而形成。反射金屬層由包含下述金屬組的金屬沉積而成鋁、鎢、銅、金、銀和鉬。該專利稱提供了制備熱穩(wěn)定性好的中高溫太陽能選擇性吸收涂層的途徑，其涂層具備高溫?zé)岱€(wěn)定性。但是該專利選擇高熔點金屬作為靶材(可稱之為“高熔點金屬包埋技術(shù)”)，而高熔點金屬價格比較昂貴，生產(chǎn)設(shè)備復(fù)雜，其濺射速率低、濺射能耗高、金屬材料的冶煉和靶材加工難度大。除了上述的兩種涂層外，多年來人們還研制了氧化鉻、鉻-氮、鉻-碳、鈦-碳、 鈦-氮-碳、鋯-氮-碳、鎳-碳、鎳-氮、鉬-碳、不銹鋼-碳等復(fù)合薄膜，其中有幾種也已作為太陽能集熱涂層用于商業(yè)化生產(chǎn)，但規(guī)模不大?，F(xiàn)有技術(shù)中還有一種太陽能真空管開水器(ZL952^5359. 9)，其吸收涂層選用稀土鋁硅合金及其化合物。稀土鋁硅合金是常用于機械、鑄造以及電線電纜行業(yè)的一種以鋁、硅為主要成分的鍛造和鑄造用金屬合金材料，硅含量范圍在10-30%，常用硅含量為11%、稀土含量為 0. 5-2%、微量的銅、鐵、鎳，其余為鋁。材料的密度2. 6 2. 7g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)101
m. °C，楊氏模量71.0GPa，沖擊值7 8. 5J，疲勞極限士45MPa。稀土鋁硅合金中硅是主要合金元素，用于改善合金的流動性，降低熱裂傾向、減少疏松和提高材料的氣密性。鋁硅合金的共晶點為含硅12.6%，超過此值時，硅的顆粒含量高，微量稀土元素的加入，可以使合金中的硅相由粗大的板片狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉睦w維狀，經(jīng)進一步熱處理后再轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀而發(fā)生變質(zhì)，從而獲得性能改善，特別是韌性的很大改善。從鋁硅合金的相圖上看，如表1所示，其熱穩(wěn)定性(在硅含量10-30%條件下，熔點為580 830°C，與純鋁相比變化不大。只有在選用高硅(30%)鋁合金時才可能得到熔點為830°C左右的合金材料，硅含量再提高時材料的性能變脆，使用起來有困難。微量稀土金屬的加入，不能改變鋁硅合金的熱穩(wěn)定性能。表1
單位鋁硅合金中硅的含量(原子比)和熔點含量%0102030405060708090100熔占 V \、0C660580690830950107011401240131013701430 上述太陽能真空管開水器技術(shù)以稀土鋁硅合金及其化合物作為涂層材料，意圖是利用鋁硅合金的高溫?zé)岱€(wěn)定性，可以獲得較好效果。但是，該發(fā)明沒有給出需要的合金鋁硅比例，如果使用現(xiàn)有牌號的鋁硅合金材料，無法將光熱吸收薄膜的高溫?zé)岱€(wěn)定性提高到令人滿意的水平。重要的是，該技術(shù)發(fā)明人同時還指出，由于高含量硅的存在使得在制作純金屬反射層薄膜時會出現(xiàn)與基底(含金屬、玻璃及其他材質(zhì))粘接不牢的問題。為解決此問題，必須在其純金屬反射層薄膜和基底之間增加一層金屬化合物過渡層以增加粘接性，從而增加了涂層制造的難度、影響生產(chǎn)效率的提高。為此該項發(fā)明沒有獲得很好的推廣。上述兩種(高熔點金屬包埋技術(shù)、稀土鋁硅合金涂層技術(shù))涂層各層的厚度如表 1所示表2
權(quán)利要求
1.一種包埋鑭鋁合金納米團蔟的金屬陶瓷太陽能吸收涂層，該涂層為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)， 自基底向上依次包括金屬反射層薄膜、太陽能吸收層薄膜和減反射層薄膜，其特征在于，所述金屬反射薄膜為鑭鋁合金LaAl反射層薄膜，所述太陽能吸收層薄膜為氮化鑭鋁LaAlN金屬陶瓷內(nèi)包埋鑭鋁合金LaAl納米團簇LaAl-N-LaAl的太陽能吸收薄膜，所述減反射層薄膜為氮化鑭鋁LaAlN減反射層薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的金屬陶瓷太陽能吸收涂層，其特征在于，所述的太陽能吸收涂層中鑭、鋁的原子比為3 4 6 7。
3.如權(quán)利要求5所述的金屬陶瓷太陽能吸收涂層，其特征在于，所述吸收層薄膜的厚度范圍為150 200nm。
4.如權(quán)利要求1所述的金屬陶瓷太陽能吸收涂層，其特征在于，金屬反射層薄膜的厚度范圍為100 180nm。
5.制備如權(quán)利要求1所述涂層的方法，其特征在于，采用單室單靶濺射設(shè)備，該方法包括以下步驟1)制備第一層直接用鑭鋁合金靶、磁控濺射制備金屬反射層薄膜，具體操作如下先將高真空濺射腔室的真空度抽至好于5X 10_4Pa，從氬氣進氣管通入工作氣體氬氣，氣壓控制在5Pa 5 X KT2Pa ；打開直流或脈沖直流濺射電源，電壓控制在250 600V ；濺射電流密度控制在5 250mA/cm2 ；濺射功率控制在2 150w/cm2 ；濺射速率控制在10-500nm/min ；濺射時間為3 20min，獲得鑭鋁合金LaAl反射層薄膜；2)制備第二層在第一步中氬氣壓相同的條件下，氬氣壓作為背景條件，從氮氣進氣管通入反應(yīng)氣體氮氣，氮氣分壓控制在2 5 X IO-3Pa,打開直流或脈沖直流濺射電源，控制電壓、電流、功率和濺射速率與第一步相同，濺射時間一般需要10 30min，獲得氮化鑭鋁包埋鑭鋁合金納米團簇(LaAl-N-LaAl)吸收層薄膜；3)制備第三層在第二步的背景氬氣壓不變的條件下，通入充足的反應(yīng)氣體氮氣，氮氣分壓控制在5 5X10_2Pa，鑭鋁合金靶仍采用第一步的磁控直流反應(yīng)濺射參數(shù)操作， 濺射時間一般需要7 30min，生成氮化鑭鋁陶瓷LaAlN減反射層薄膜。
6.制備如權(quán)利要求1所述涂層的方法，其特征在于，采用多靶真空濺射設(shè)備，該方法包括以下步驟1)制備第一層直接用多只鑭鋁合金靶同時進行磁控濺射制備金屬反射層薄膜，具體操作如下將高真空濺射腔室的真空度抽至好于5X 10_4Pa，分別從氬氣進氣管通入工作氣體氬氣，氣壓控制在5Pa-5X10-2!^ ；打開三只鑭鋁合金靶的直流或脈沖直流濺射電源，每個靶電壓分別控制在250-600V ；濺射電流密度控制在5 250mA/cm2 ；各靶濺射速率控制在 10-500nm/min ；濺射時間為1 lOmin，獲得稀土鑭鋁合金反射層薄膜；2)制備第二層在第一步中操作參數(shù)相同的條件下，氬氣壓作為背景條件，從氮氣進氣管通入反應(yīng)氣體氮氣，將氮氣分壓控制在2 5X10_3Pa，同時打開三只鑭鋁合金靶的直流或脈沖直流濺射電源，控制電壓、電流、功率和濺射速率與第一步相同，濺射時間為 4 15min，獲得氮化鑭鋁包埋稀土鑭鋁合金納米團簇吸收層薄膜；3)制備第三層在第二步的操作參數(shù)及背景氬氣壓不變的條件下，通入充足的反應(yīng)氣體氮氣，氮氣分壓控制在5 5X 10_2Pa，濺射時間為3 15min ；三只鑭鋁合金靶共同濺射生成氮化鑭鋁陶瓷薄膜減反射層薄膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種選用鑭鋁(LaAl)合金的金屬陶瓷太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法。該涂層自基底向上依次包括鑭鋁合金反射層薄膜、氮化鑭鋁金屬陶瓷內(nèi)包埋稀土鑭鋁合金納米團簇的太陽能吸收層薄膜和氮化鑭鋁減反射層薄膜。該方法采用現(xiàn)有的采用單室單靶或多靶設(shè)備，直接用鑭鋁合金靶，根據(jù)所設(shè)定的工藝條件及參數(shù)，濺射生成所述涂層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述涂層的熱穩(wěn)定性好、制造工藝簡單、生產(chǎn)效率高、對太陽光譜300nm至紅外光譜具有選擇性吸收功能，在太陽輻射區(qū)域有強烈的吸收。
文檔編號C23C14/35GK102350847SQ201110271140
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月14日
發(fā)明者孫紹鑾, 宋宗恩, 徐新建 申請人:日出東方太陽能股份有限公司