本發(fā)明涉及一種新型太陽光熱吸收涂層，可用于真空集熱管和平板集熱器，屬于太陽能光熱利用材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，集熱管是其核心部件，太陽能能選擇性吸收涂層是集熱管的核心部分，能夠提高集熱管的光熱轉(zhuǎn)換效率。作為太陽能選擇性吸收涂層需要具有高的吸收率、低的發(fā)射率和高的熱穩(wěn)定性，對于高溫應(yīng)用涂層，涂層發(fā)射率和熱穩(wěn)定性更加重要，因為物質(zhì)的熱輻射與溫度t的4次方成正比，而涂層的熱穩(wěn)定性也決定著涂層服役溫度和壽命。

目前，高溫應(yīng)用的涂層體系主要為金屬-電介質(zhì)疊堆涂層和金屬陶瓷涂層，其中金屬陶瓷涂層具有吸收率高、發(fā)射率低、工藝穩(wěn)定等優(yōu)勢而獲得廣泛的應(yīng)用。金屬陶瓷是在電介質(zhì)基體中嵌入微小的金屬顆粒形成復(fù)合材料。qi-chuzhang和davidr.mills提出了4層結(jié)構(gòu)金屬陶瓷光熱轉(zhuǎn)換涂層模型，涂層由底層紅外反射層、高金屬含量吸收層、低金屬含量吸收層和表層減反射層構(gòu)成。其中中間的高金屬含量吸收層和低金屬含量吸收層的光學常數(shù)可以通過調(diào)整的薄膜中金屬或類金屬與電介質(zhì)的相對含量而改變，同時，maxwell-garnett理論、bruggeman理論和shenping理論等效媒質(zhì)理論為金屬陶瓷膜的光學常數(shù)計算提供了理論依據(jù)，這些都有利于涂層優(yōu)化，制備出性能優(yōu)異的涂層。

多種金屬和電介質(zhì)組合而成的金屬陶瓷型光熱轉(zhuǎn)換涂層被開發(fā)出來。其中金屬包括w、mo、cr、al、au、ag、cr、fe、co、ni、v、nb、ti和cu等，電介質(zhì)包括al2o3、sio2、mgo、tio2、nio、cr2o3、caf2、zno、aln、si3n4、alsin、alon、cron和sion等。金屬和電介質(zhì)構(gòu)成的金屬陶瓷型涂層在服役過程中存在金屬的氧化和擴散的問題。之后人們發(fā)現(xiàn)過渡金屬氮化物具有類金屬特性，其獨特的光學性能和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性引起了人們的關(guān)注。tin、nbn、crn等過渡金屬氮化物作為吸收組元已經(jīng)應(yīng)用到金屬陶瓷光熱轉(zhuǎn)換涂層中。其中與ti同族的zr和hf的氮化物具有更優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和抗氧化性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有金屬陶瓷型太陽能光熱轉(zhuǎn)換涂層在服役過程中存在的金屬的氧化和 擴散問題，本發(fā)明的目的在于提供一種新型太陽光熱吸收涂層，該涂層吸收率高，發(fā)射率低，抗氧化性能和耐高溫性能優(yōu)異。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種太陽光熱吸收涂層，其涂層結(jié)構(gòu)為從基體向外依次包括紅外反射層、吸收層和減反射層，其中吸收層和減反射層分別為單層薄膜或雙亞層薄膜。

其中，基體材料為拋光的不銹鋼片、拋光的銅片、拋光的鋁片、玻璃和單面拋光的硅片中的一種。各涂層分別采用物理氣相沉積的方法制得。

所述紅外反射層為ni、mo、cu、ag、w、pt、cr和al中的一種構(gòu)成的薄膜，厚度為50-300納米。

所述吸收層為zraln、hfaln、zralon、hfalon、zralsin、hfalsin、zralsion和hfalsion薄膜中的一種構(gòu)成，或者是由其中的任意兩種薄膜構(gòu)成的雙亞層結(jié)構(gòu)。當吸收層為由第一吸收層與第二吸收層構(gòu)成的雙亞層結(jié)構(gòu)時，其中第一吸收層中zr或hf含量高于第二吸收層中zr或hf含量，以保證第二吸收層在可見光和近紅外的折射率高于第一吸收層，形成干涉和減反射效應(yīng)，提高涂層的吸收率，利于涂層的優(yōu)化，得到光熱轉(zhuǎn)換性能優(yōu)異的涂層。

其中，zraln、hfaln、zralon和hfalon薄膜采用zr(hf)與al雙靶，在氬氣+氮氣(或氬氣+氧氣+氮氣)氣氛下共濺射得到，也可以采用zral(hfal)合金靶，在氬氣+氮氣(或氬氣+氧氣+氮氣)氣氛下沉積得到，同樣可以采用al為基體，zr(hf)為鑲嵌體的鑲嵌靶，在氬氣+氮氣(或氬氣+氧氣+氮氣)氣氛下沉積得到。zralsin、hfalsin、zralsion和hfalsion薄膜采用zr(hf)與alsi雙靶，在氬氣+氮氣(或氬氣+氧氣+氮氣)氣氛下共濺射得到，也可以采用zralsi(hfalsi)合金靶，在氬氣+氮氣(或氬氣+氧氣+氮氣)氣氛下沉積得到，同樣可以采用alsi為基體，zr(hf)為鑲嵌體的鑲嵌靶，在氬氣+氮氣(或氬氣+氧氣+氮氣)氣氛下沉積得到。所述吸收層的總厚度為10-200納米。

所述減反射層為aln、si3n4、alsin、alon、sion、alsion、al2o3、sio2和alsio薄膜中的一種構(gòu)成，或者是由其中的任意兩種薄膜構(gòu)成的雙亞層結(jié)構(gòu)。所述雙亞層結(jié)構(gòu)的減反射薄膜中第二減反射亞層的折射率小于第一減反射亞層的折射率，減反射雙亞層結(jié)構(gòu)能夠達到更好的減反射效果，同時第二減反射亞層(表層減反射層)的折射率小，能夠減少光的表面反射損失。所述減反射層的總厚度10-300納米。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明的新型太陽光熱吸收涂層采用熱穩(wěn)定性和抗氧化性能優(yōu)異的zrn和hfn 作為吸收組元，zraln、hfaln、zralon、hfalon、zralsin、hfalsin、zralsion和hfalsion作為吸收層的金屬陶瓷涂層。該太陽光熱吸收涂層在太陽光譜范圍內(nèi)(0.3～2.5微米)，吸收率α大于0.96，82℃和400℃的發(fā)射率ε分別不大于0.05和0.10，具有吸收率高，發(fā)射率低，抗氧化性能和耐高溫性能優(yōu)異的特點。本發(fā)明的太陽光熱吸收涂層適用于槽式太陽能熱發(fā)電真空集熱管和平板集熱器。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種太陽光熱吸收涂層的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的另一種太陽光熱吸收涂層的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為實施例1制備的涂層反射率曲線。

圖4為實施例2制備的涂層反射率曲線。

圖5為實施例3制備的涂層反射率曲線。

具體實施方式

以下通結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明，但不用于限制本發(fā)明。

圖1為實現(xiàn)本發(fā)明的一種太陽光熱吸收涂層的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，該涂層包括純金屬紅外反射層1、吸收層2、減反射層3。其中，紅外反射層為ni、mo、cu、ag、w、pt、cr和al中的一種；吸收層和減反射層均為單層薄膜，吸收層為zraln、hfaln、zralon、hfalon、zralsin、hfalsin、zralsion和hfalsion中的一種，減反射層為aln、si3n4、alsin、alon、sion、alsion、al2o3、sio2和alsio中的一種。

圖2為實現(xiàn)本發(fā)明的另一種太陽光熱吸收涂層的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，該涂層包括純金屬紅外反射層1、吸收層2、減反射層3；涂層中吸收層2和減反射層3分別為雙亞層結(jié)構(gòu)薄膜。其中，紅外反射層為ni、mo、cu、ag、w、pt、cr和al中的一種；第一吸收層2-1為zraln、hfaln、zralon、hfalon、zralsin、hfalsin、zralsion和hfalsion中的一種；第二吸收層2-2為zraln、hfaln、zralon、hfalon、zralsin、hfalsin、zralsion和hfalsion中的一種；第一減反射亞層3-1為aln、si3n4、alsin、alon、sion、alsion、al2o3、sio2和alsio中的一種，第二減反射亞層3-2為aln、si3n4、alsin、alon、sion、alsion、al2o3、sio2和alsio中的一種。

實施例1

以cu/zr0.5al0.5n/zr0.3al0.7n/alon涂層為例，鍍膜機中通入氬氣濺射銅靶沉積紅外反射層，厚度100nm。通氬氣和氮氣，分別采用鋯靶和鋁靶反應(yīng)濺射沉積第一 吸收亞層zr0.5al0.5n，厚度為80nm。在氬氣和氮氣的氣氛中，分別采用鋯靶和鋁靶反應(yīng)濺射沉積第二吸收亞層zr0.3al0.7n，厚度25nm。通氬氣、氮氣和氧氣，濺射鋁靶反應(yīng)沉積alon，厚度為40nm。圖3為制備涂層的反射率曲線，其反射率在500納米到1400納米的可見光和近紅外范圍內(nèi)的反射率小于3％，在600納米到1300納米小于1％，涂層具有高的吸收率，同時，在1500納米到2500納米范圍內(nèi)，反射率從3％增加到65％，在2500納米處反射高于65％，從低反射區(qū)到高反射區(qū)的斜率較大，表明涂層在高溫下具有低的發(fā)射率。涂層具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能。所制備的涂層吸收率α≥0.95，發(fā)射率為ε≤0.05(82℃)，ε≤0.09(400℃)。

實施例2

以ni/hf0.4al0.6on/sion涂層為例，在鍍膜機中通入氬氣，氬離子轟擊鎳靶沉積金屬紅外反射層，厚度為100nm。通氬氣、氮氣和氧氣，采用鉿硅合金靶反應(yīng)濺射沉積吸收層hf0.4al0.6on，厚度為50nm。在氬氣+氮氣+氧氣的氣氛中，濺射si靶反應(yīng)沉積sion，厚度為30nm。圖4為制備涂層的反射率曲線，其反射率在450納米到1300納米的可見光和近紅外范圍內(nèi)的反射率小于3％，在600納米到1300納米小于1％，涂層具有高的吸收率，同時，在1300納米到2500納米范圍內(nèi)，反射率從3％增加到60％，在2500納米處反射高于60％，從低反射區(qū)到高反射區(qū)的斜率較大，表明涂層在高溫下具有低的發(fā)射率。所制備的涂層的吸收率α≥0.95，發(fā)射率為ε≤0.05(82℃)，ε≤0.09(400℃)。

實施例3

以mo/hf0.5al05n/hfalsion/alon/al2o3涂層為例，在鍍膜機中通入氬氣，氬離子轟擊鉬靶沉積金屬紅外反射層，厚度為80nm。通氬氣和氮氣，采用鉿靶和鋁靶反應(yīng)濺射沉積第一吸收層hf0.5al0.5n，厚度為70nm。在氬氣+氮氣+氧氣的氣氛中，采用鉿靶和鋁硅合金靶反應(yīng)濺射沉積hfalsion，厚度為20nm。在氬氣+氮氣+氧氣的氣氛中，采用鋁靶反應(yīng)濺射沉積第一減反射亞層(見圖2中3-1)alon，厚度為40nm。通氬氣和氧氣，濺射鋁靶反應(yīng)沉積第二減反射亞層(見圖2中3-2)al2o3，厚度為30nm。圖4為制備涂層的反射率曲線，其反射率在450納米到1300納米的可見光和近紅外范圍內(nèi)的反射率小于3.5％，涂層具有高的吸收率，同時，在1300納米到2500納米范圍內(nèi)，反射率從3％增加到55％，在2500納米處反射高于55％，從低反射區(qū)到高反射區(qū)的斜率較大，表明涂層在高溫下具有低的發(fā)射率。所制備的涂層的吸收率α≥0.95，發(fā)射率為ε≤0.05(82℃)，ε≤0.10(400℃)。