一種碳化鈦-碳化鋯高溫太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種碳化鈦?碳化鋯高溫太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法，其中該涂層從底層到表面依次包括吸熱體基底，吸收層和減反射層。所述吸收層的材料為碳化鈦和碳化鋯的復(fù)合物，采用雙靶共濺射制備，厚度為35?80 nm，該復(fù)合物中鋯原子百分比為0.5?3%。所述減反射層為氧化鋁，厚度為30?100 nm。本發(fā)明制備的涂層在大氣質(zhì)量因子AM1.5條件下，吸收率為≥0.90，發(fā)射率≤0.13；該涂層具有很好的高溫穩(wěn)定性和抗腐蝕性能。本發(fā)明提供的涂層具有高吸收率、低發(fā)射率，良好的熱穩(wěn)定性能及耐腐蝕性能等特點。該涂層制備工藝簡單、原料來源豐富、價格低廉、操作方便、易于控制，在太陽能熱利用和熱發(fā)電領(lǐng)域具有廣闊的實用價值和應(yīng)用前景。
【專利說明】
一種碳化鈦-碳化鋯高溫太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于太陽能熱發(fā)電和真空鍍膜技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高溫太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法，是目前太陽能熱發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一，具體涉及一種碳化鈦-碳化鋯高溫太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]太陽能熱發(fā)電技術(shù)是指:利用大規(guī)模陣列拋物或碟形鏡面收集太陽熱能，通過換熱裝置提供蒸汽，結(jié)合傳統(tǒng)汽輪發(fā)電機(jī)的工藝，從而達(dá)到發(fā)電的目的。采用太陽能熱發(fā)電技術(shù)，避免了昂貴的硅晶光電轉(zhuǎn)換工藝，可以大大降低太陽能發(fā)電的成本。而且，這種形式的太陽能利用還有一個其他形式的太陽能轉(zhuǎn)換所無法比擬的優(yōu)勢，即太陽能所燒熱的水可以儲存在巨大的容器中，在太陽落山后幾個小時仍然能夠帶動汽輪發(fā)電。光譜選擇性吸收涂層是光熱發(fā)電的核心材料，為了提高光熱發(fā)電效率，該涂層應(yīng)具有高吸收率，低發(fā)射率，優(yōu)異的的熱穩(wěn)定性能。
[0003]1955年，以色列的Tabor首次提出了“太陽能選擇性吸收涂層”的概念并制備出了電鍍黑鎳涂層。普朗克定律揭示了太陽輻射隨波長的變化規(guī)律，太陽輻射具有一個很寬的波長范圍，其能量主要集中在0.3-2.5wii范圍內(nèi)。對于一個受熱物體而言，它的輻射主要在大于2.5mi的紅外區(qū)域。如果一種涂層在0.3-2.5mi范圍內(nèi)對太陽輻射有高的吸收率，在 2.5-25wii范圍內(nèi)有低的熱發(fā)射率，那么這種涂層就被稱作“太陽能選擇性吸收涂層”或者 “光譜選擇性吸收涂層”。按照吸收原理和涂層結(jié)構(gòu)的不同，一般可將太陽能選擇性吸收涂層分為:本征吸收涂層、光干涉涂層、金屬陶瓷涂層、多層漸變涂層、光學(xué)陷阱涂層。近年來， 金屬陶瓷光譜選擇性吸收涂層得到了廣泛的研究和應(yīng)用<^nAl-AlN、M〇-Si02、W-Al203、Cr-Cr2〇3、N1-Al2〇3、M〇-Al2〇3、Cr-Al2〇3、C〇-WC、W-N1-Al2〇3、Ag-Al2〇3、M〇-Si3N4、Al-N1-Al2〇3、W-N1-YSZ等。意大利Angelanton1-ENEA公司和德國Siemens公司已經(jīng)將Mo_Si〇2和M0-AI2O3 體系成功商業(yè)化推廣。然而，對于金屬陶瓷復(fù)合體系，由于體系中存在的金屬顆粒易在高溫下發(fā)生氧化、擴(kuò)散、團(tuán)聚等現(xiàn)象，從而造成吸收涂層長期在高溫下服役其光學(xué)性能下降，甚至失效。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺點而提供一種碳化鈦-碳化鋯高溫太陽能選擇性吸收涂層，該涂層具有良好的高溫穩(wěn)定性、高吸收率、低發(fā)射率、制備工藝簡單、原料來源豐富，操作方便。
[0005]本發(fā)明的另一目的是提供上述碳化鈦-碳化鋯高溫太陽能選擇性吸收涂層的制備方法。
[0006]為解決本發(fā)明的技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:一種碳化鈦-碳化鋯高溫太陽能選擇性吸收涂層，從底層到表面依次包括吸熱體基底、吸收層和減反射層;所述的吸熱體基底為拋光不銹鋼或銅片，所述的吸收層材料為碳化鈦和碳化鋯的復(fù)合物，所述的減反射層材料為氧化鋁。
[0007]所述的吸收層厚度為35-80 nm〇[〇〇〇8]所述的吸收層復(fù)合物中鋯原子百分比為0.5-3%。[〇〇〇9]所述的減反射層厚度為30-100 nm〇
[0010]所述的吸收層該復(fù)合物利用雙靶共濺射制備，其中碳化鈦采用直流磁控濺射方法制備，碳化鋯采用射頻磁控濺射方法制備;所述的減反射層采用射頻磁控濺射方法制備。
[0011]上述碳化鈦-碳化鋯高溫太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，包括以下工藝步驟:(1)吸熱體基底的處理:將吸熱體基底去除表面附著的雜質(zhì)后，分別在丙酮和乙醇中分別超聲清洗10-20分鐘，氮氣吹干，真空保存；(2)吸收層的制備:采用純度為99.99%的碳化鈦和碳化鋯作為磁控濺射靶材;采用雙靶共濺射方法制備吸收層，其中碳化鈦采用直流磁控濺射，碳化鋯采用射頻磁控濺射方法，將真空室預(yù)抽本底真空至1.〇*l(T6-7.0*1(T6 Torr;調(diào)整碳化鈦靶材的濺射功率密度為4-10 W/cnf2,碳化鋯靶材的濺射功率密度為0.5-5 W/cnf2,濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為20-100 sccm，開始在吸熱體基底上沉積碳化鈦和碳化鋯的復(fù)合物，濺射過程中吸熱體基底溫度為 50-300 °C；(3)減反射層的制備:吸收層制備完畢后，以純度99.99%的Al2〇3作為磁控濺射靶材，控制Al2〇3靶材的濺射功率密度在5-10 W/cnf2,濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為20-100 sccm，采用射頻磁控濺射在吸收層上濺射制備減反射層，濺射過程中吸熱體基底溫度為50-300 °C。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明的太陽能選擇性吸收涂層，以碳化鈦和碳化鋯復(fù)合物為吸收層，氧化鋁為減反射層，極大的豐富了碳化鈦陶瓷和碳化鋯在太陽能產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用。 本發(fā)明的太陽能選擇性涂層由圖2可知，該涂層在紫外可見近紅外光譜范圍內(nèi)具有低的反射率，在紅外光譜范圍內(nèi)具有高的反射率。本發(fā)明采用碳化鈦和碳化鋯的復(fù)合物作為吸收層，該吸收層表現(xiàn)出一定的光譜選擇性，即相對高的吸收率和低的發(fā)射率，在大氣質(zhì)量因子 AM1.5條件下，吸收率多0.90,發(fā)射率<0.13。減反射層氧化鋁的沉積極大地提高了該涂層的吸收率。同時在高真空度下，經(jīng)長時間高溫保溫后，涂層的吸收率和發(fā)射率沒有明顯的變化，該涂層具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性能。本發(fā)明涂層結(jié)構(gòu)簡單，從而簡化了工藝、操作方便、縮短生產(chǎn)周期、降低成本，本發(fā)明在太陽能熱利用和熱發(fā)電領(lǐng)域具有廣闊的實用價值和應(yīng)用前景。【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明碳化鈦-碳化鋯高溫太陽能選擇性吸收涂層的結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明碳化鈦-碳化鋯高溫太陽能選擇性吸收涂層的反射譜圖?！揪唧w實施方式】
[0014]下面通過具體實施例對本發(fā)明的碳化鈦-碳化鋯高溫太陽能選擇性吸收涂層的制備及性能作進(jìn)一步說明。
[0015]實施例1一種碳化鈦-碳化鋯高溫太陽能選擇性吸收涂層，從底層到表面依次包括吸熱體基底，吸收層和減反射層;吸熱體基底為拋光不銹鋼片或銅片。吸收層材料為碳化鈦和碳化鋯的復(fù)合物，該復(fù)合物利用雙靶共濺射制備，其中碳化鈦采用直流磁控濺射方法制備，碳化鋯采用射頻磁控濺射方法制備;吸收層復(fù)合物的厚度為35 nm，吸收層復(fù)合物中鋯原子百分比為0.5%。減反射層材料為氧化鋁，采用射頻磁控濺射方法制備，厚度為60 nm。
[0016] 上述碳化鈦-碳化鋯高溫太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，包括以下工藝步驟: (1)吸熱體基底的處理:選用拋光不銹鋼片作為吸熱體基底。使用前用棉球擦拭表面， 除去表面附著的雜質(zhì)，然后使用不銹鋼片分別在丙酮和乙醇溶劑中分別超聲清洗15分鐘， 用氮氣吹干，真空保存，待用。[〇〇17](2)吸收層的制備:采用純度99.99%碳化鈦和碳化鋯作為磁控濺射靶材;碳化鈦靶材采用直流磁控濺射，碳化鋯靶材采用射頻磁控濺射方法，利用共濺射方法制備吸收層。將真空室預(yù)抽本底真空至2.1*1(T6 Torr;調(diào)整碳化鈦靶材的濺射功率密度為4.0W/cnf2，碳化鋯靶材的濺射功率密度為0.5 W/cnf2，濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為100 sccm，開始在吸熱體基底上沉積碳化鈦和碳化鋯的復(fù)合物，其厚度為35 nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為100 0C。
[0018](3)減反射層的制備:吸收層制備完畢后，以純度99.99%的Al2〇3作為磁控濺射靶材，控制Al2〇3靶材的濺射功率密度在6 W/cnf2,濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為100 sccm，采用射頻磁控濺射在吸收層上濺射制備減反射層，厚度為60 nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為 100 0C〇
[0019]該太陽能選擇性吸收涂層的光學(xué)性能如下:在大氣質(zhì)量因子AM1.5條件下，涂層吸收率為0.91，發(fā)射率為0.11;在高真空度下，經(jīng)800°C長時間保溫后涂層的吸收率，發(fā)射率未發(fā)生明顯變化。
[0020]實施例2一種碳化鈦-碳化鋯高溫太陽能選擇性吸收涂層，從底層到表面依次包括吸熱體基底，吸收層和減反射層;吸熱體基底為拋光不銹鋼片。吸收層材料為碳化鈦和碳化鋯的復(fù)合物，該復(fù)合物利用雙靶共濺射制備，其中碳化鈦采用直流磁控濺射方法制備，碳化鋯采用射頻磁控濺射方法制備；吸收層復(fù)合物的厚度為80 nm，吸收層復(fù)合物中鋯原子百分比為 3%。減反射層材料為氧化鋁，采用射頻磁控濺射方法制備，厚度為30 nm。
[0021]上述碳化鈦-碳化鋯高溫太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，包括以下工藝步驟: (1)吸熱體基底的處理:選用拋光不銹鋼片作為吸熱體基底。使用前用棉球擦拭表面，除去表面附著的雜質(zhì)，然后使用不銹鋼片分別在丙酮和乙醇溶劑中分別超聲清洗10分鐘， 用氮氣吹干，真空保存，待用。[〇〇22](2)吸收層的制備:采用純度99.99%碳化鈦和碳化鋯作為磁控濺射靶材;碳化鈦靶材采用直流磁控濺射，碳化鋯靶材采用射頻磁控濺射方法，利用共濺射方法制備吸收層。將真空室預(yù)抽本底真空至1.0*1(T6 Torr;調(diào)整碳化鈦靶材的濺射功率密度為6.0W/cnf2,碳化鋯靶材的濺射功率密度為5.0W/cnf2，濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為20 sccm，開始在吸熱體基底上沉積碳化鈦和碳化鋯的復(fù)合物，其厚度為80 nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為300 0C。[〇〇23](3)減反射層的制備:吸收層制備完畢后，以純度99.99%的Al2〇3作為磁控濺射靶材，控制Al2〇3靶材的濺射功率密度在5.0W/cnf2，濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為20 sccm，采用射頻磁控濺射在吸收層上濺射制備減反射層，厚度為30 nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為300 °C。[〇〇24]該太陽能選擇性吸收涂層的光學(xué)性能如下:在大氣質(zhì)量因子AM1.5條件下，涂層吸收率為0.90，發(fā)射率為0.11;在高真空度下，經(jīng)800 °C長時間保溫后涂層的吸收率，發(fā)射率未發(fā)生明顯變化。[〇〇25] 實施例3一種碳化鈦-碳化鋯高溫太陽能選擇性吸收涂層，從底層到表面依次包括吸熱體基底，吸收層和減反射層;吸熱體基底為拋光不銹鋼片。吸收層材料為碳化鈦和碳化鋯的復(fù)合物，該復(fù)合物利用雙靶共濺射制備，其中碳化鈦采用直流磁控濺射方法制備，碳化鋯采用射頻磁控濺射方法制備；吸收層復(fù)合物的厚度為55 nm，吸收層復(fù)合物中鋯原子百分比為 〇.83%。減反射層材料為氧化鋁，采用射頻磁控濺射方法制備，厚度為46 nm。
[0026] 上述碳化鈦-碳化鋯高溫太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，包括以下工藝步驟: (1)吸熱體基底的處理:選用拋光不銹鋼片作為吸熱體基底。使用前用棉球擦拭表面， 除去表面附著的雜質(zhì)，然后使用不銹鋼片分別在丙酮和乙醇溶劑中分別超聲清洗20分鐘， 用氮氣吹干，真空保存，待用。[〇〇27] (2)吸收層的制備:采用純度99.99%碳化鈦和碳化鋯作為磁控濺射靶材;碳化鈦靶材采用直流磁控濺射，碳化鋯靶材采用射頻磁控濺射方法，利用共濺射方法制備吸收層。將真空室預(yù)抽本底真空至2.1*1(T6 Torr;調(diào)整碳化鈦靶材的濺射功率密度為6.5W/cnf2，碳化鋯靶材的濺射功率密度為1.1 W/cnf2,濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為30 sccm，開始在吸熱體基底上沉積碳化鈦和碳化鋯的復(fù)合物，其厚度為55 nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為100 0C。[〇〇28] (3)減反射層的制備:吸收層制備完畢后，以純度99.99%的Al2〇3作為磁控濺射靶材，控制Al2〇3靶材的濺射功率密度在6.1 W/cnf2,濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為30 sccm，采用射頻磁控濺射在吸收層上濺射制備減反射層，厚度為46 nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為100 0C〇[〇〇29]該太陽能選擇性吸收涂層的光學(xué)性能如下:在大氣質(zhì)量因子AM1.5條件下，涂層吸收率為0.92，發(fā)射率為0.10;在高真空度下，經(jīng)800 °C長時間保溫后涂層的吸收率，發(fā)射率未發(fā)生明顯變化。
[0030]實施例4一種碳化鈦-碳化鋯高溫太陽能選擇性吸收涂層，從底層到表面依次包括吸熱體基底，吸收層和減反射層;吸熱體基底為銅片。吸收層材料為碳化鈦和碳化鋯的復(fù)合物，該復(fù)合物利用雙靶共濺射制備，其中碳化鈦采用直流磁控濺射方法制備，碳化鋯采用射頻磁控濺射方法制備;吸收層復(fù)合物的厚度為35 nm，吸收層復(fù)合物中鋯原子百分比為0.8%。減反射層材料為氧化鋁，采用射頻磁控濺射方法制備，厚度為100 nm。
[0031]上述碳化鈦-碳化鋯高溫太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，包括以下工藝步驟: (1)吸熱體基底的處理:選用拋光不銹鋼片作為吸熱體基底。使用前用棉球擦拭表面，除去表面附著的雜質(zhì)，然后使用不銹鋼片分別在丙酮和乙醇溶劑中分別超聲清洗15分鐘， 用氮氣吹干，真空保存，待用。[〇〇32] (2)吸收層的制備:采用純度99.99%碳化鈦和碳化鋯作為磁控濺射靶材;碳化鈦靶材采用直流磁控濺射，碳化鋯靶材采用射頻磁控濺射方法，利用共濺射方法制備吸收層。將真空室預(yù)抽本底真空至7.0*1(T6 Torr;調(diào)整碳化鈦靶材的濺射功率密度為lOW/cnf2，碳化鋯靶材的濺射功率密度為1.1 W/cnf2,濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為30 sccm，開始在吸熱體基底上沉積碳化鈦和碳化鋯的復(fù)合物，其厚度為35 nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為500C。[〇〇33](3)減反射層的制備:吸收層制備完畢后，以純度99.99%的Al2〇3作為磁控濺射靶材，控制Al2〇3靶材的濺射功率密度在10 W/cnf2,濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為30 sccm，采用射頻磁控濺射在吸收層上濺射制備減反射層，厚度為100 nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為50 °C。[〇〇34]該太陽能選擇性吸收涂層的光學(xué)性能如下:在大氣質(zhì)量因子AM1.5條件下，涂層吸收率為0.92,發(fā)射率為0.09。
【主權(quán)項】
1.一種碳化鈦-碳化鋯高溫太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于:從底層到表面依次包 括吸熱體基底、吸收層和減反射層;所述的吸熱體基底為拋光不銹鋼或銅片，所述的吸收層 材料為碳化鈦和碳化鋯的復(fù)合物，所述的減反射層材料為氧化鋁。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳化鈦-碳化鋯高溫太陽能選擇性吸收涂層，其特征在 于:所述的吸收層厚度為35-80 nm〇3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種碳化鈦-碳化鋯高溫太陽能選擇性吸收涂層，其特征 在于:所述的吸收層復(fù)合物中鋯原子百分比為0.5-3%。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種碳化鈦-碳化鋯高溫太陽能選擇性吸收涂層，其特征 在于:所述的減反射層厚度為30-100 nm〇5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種碳化鈦-碳化鋯高溫太陽能選擇性吸收涂層，其特征在 于:所述的減反射層厚度為30-100 nm〇6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種碳化鈦-碳化鋯高溫太陽能選擇性吸收涂層，其特征 在于:所述的吸收層該復(fù)合物利用雙靶共濺射制備，其中碳化鈦采用直流磁控濺射方法制 備，碳化鋯采用射頻磁控濺射方法制備;所述的減反射層采用射頻磁控濺射方法制備。7.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的一種碳化鈦-碳化鋯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工藝步驟:(1)吸熱體基底的處理:將吸熱體基底去除表面附著的雜質(zhì)后，分別在丙酮和乙醇中分 別超聲清洗10-20分鐘，氮氣吹干，真空保存；(2)吸收層的制備:采用純度為99.99%的碳化鈦和碳化鋯作為磁控濺射靶材;采用雙靶 共濺射方法制備吸收層，其中碳化鈦采用直流磁控濺射，碳化鋯采用射頻磁控濺射方法，將 真空室預(yù)抽本底真空至1.〇*l(T6-7.0*1(T6 Torr;調(diào)整碳化鈦靶材的濺射功率密度為4-10 W/cnf2,碳化鋯靶材的濺射功率密度為0.5-5 W/cnf2,濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為20-100 sccm，開始在吸熱體基底上沉積碳化鈦和碳化鋯的復(fù)合物，濺射過程中吸熱體基底溫度為 50-300 °C；(3)減反射層的制備:吸收層制備完畢后，以純度99.99%的Al2〇3作為磁控濺射靶材，控 制Al2〇3靶材的濺射功率密度在5-10 W/cnf2,濺射沉積時氬氣的進(jìn)氣量為20-100 sccm，采 用射頻磁控濺射在吸收層上濺射制備減反射層，濺射過程中吸熱體基底溫度為50-300 °C。
【文檔編號】C23C14/08GK105970175SQ201610418136
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】高祥虎, 劉剛, 郭志明, 耿慶芬, 馬鵬軍, 王愛勤
【申請人】中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所