采用氮化鋁鈦材料的集熱元件抗氫阻隔層及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于太陽能技術(shù)、材料技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種采用TiAlN材料的太陽能集熱 元件（HCE)的抗氨氣阻隔層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 集熱元件（HC巧是太陽能槽式熱發(fā)電集熱器的組成部件。槽式集熱器通過用線性 拋物面反射鏡將太陽光聚集到一條焦線上。在該條焦線的位置放置集熱元件，將太陽福射 轉(zhuǎn)化成熱。
[0003] 集熱元件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，典型結(jié)構(gòu)包含一支鋼管和與其同屯、安裝的玻璃管。在 鋼管上鍛選擇性涂層W提高效率，玻璃管（棚娃玻璃管）鍛減反射涂層。玻璃管和鋼管之 間形成一個(gè)環(huán)形空間。為了進(jìn)一步提高效率，該個(gè)環(huán)形空間于兩端密封并抽真空。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中環(huán)形空間的密封是通過在鋼管和棚娃玻璃管之間安裝膨脹裝置來實(shí) 現(xiàn)的。膨脹裝置通過金屬連接環(huán)，一端與玻璃管相連，另一端與鋼管相連。有了膨脹裝置， 鋼管和玻璃管之間的線膨脹量差異問題得W解決。
[0005] 但在該密封的真空空間內(nèi)仍存留有少量氣體，由于傳導(dǎo)和對(duì)流引起的熱損取決于 氣壓，在1至100化之間，熱損相差很大，尤其是對(duì)于氨氣等氣體。氨氣可W通過鋼管管壁 擴(kuò)散進(jìn)入真空空間。雖然可W加阻隔層減少擴(kuò)散，或加吸氣劑來吸收該些氣體，但是仍然會(huì) 有大量氨氣進(jìn)入真空空間，在使用期S十年內(nèi)需要大量吸氣劑。目前已知的阻隔層，如侶的 氧化物，對(duì)氨氣的阻隔效果不足；采用一層很薄的侶可W有效地阻隔氨氣，但侶在高溫下很 容易氧化，所W短時(shí)間內(nèi)就會(huì)失效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明針對(duì)上述問題，主要目的是提供一種新的抗氨氣阻隔層，鍛在（不誘）鋼管 的內(nèi)壁和/或外壁上，可W有效地阻隔氨氣，并具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。
[0007] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下；
[000引一種抗氨阻隔層，其材料為氮化侶鐵（Ti/lyN)。
[0009] 進(jìn)一步地，所述抗氨阻隔層的厚度為至少200nm。
[0010] 進(jìn)一步地，所述抗氨阻隔層中添加有合金化元素銘和娃。
[0011] 一種太陽能集熱元件（或者是太陽能線性聚光集熱器），包含鋼管和與其同屯、安 裝的玻璃管，所述鋼管的外壁和/或內(nèi)壁上設(shè)有抗氨阻隔層，所述抗氨阻隔層的材料為氮 化侶鐵（TiyAlyN)。該太陽能集熱元件進(jìn)一步可W用于太陽能光熱發(fā)電電站。
[0012] 進(jìn)一步地，所述抗氨阻隔層的厚度為至少200nm。
[0013] 進(jìn)一步地，所述抗氨阻隔層外依次設(shè)有紅外反射層、抗擴(kuò)散阻隔層、吸收層和減反 射層。
[0014] 可選地，所述抗氨阻隔層和所述紅外反射層之間設(shè)有抗擴(kuò)散阻隔層。
[0015] 進(jìn)一步地，所述鋼管的外壁和/或內(nèi)壁上通過基材本身擴(kuò)散生長(zhǎng)出金屬氧化物或 氮化物膜層，所述抗氨阻隔層設(shè)于所述金屬氧化物或氮化物膜層上。
[0016] 進(jìn)一步地，所述吸收層包含兩層，靠近所述抗擴(kuò)散阻隔層的一層為高金屬含量陶 瓷層或陶瓷層滲入半導(dǎo)體材料；另一層為金屬含量比前一層更低的陶瓷層或陶瓷層滲入比 前一層更少的半導(dǎo)體（從而折射率更低）。
[0017] 上述抗氨阻隔層的方法可W采用反應(yīng)磁控共瓣射工藝、鐵侶燒結(jié)祀反應(yīng)磁控瓣射 工藝、高能脈沖磁控瓣射工藝化IPIM巧等方法制備。
[001引與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果如下：
[0019] 1)采用氮化侶鐵材料作為抗氨氣阻隔層，鍛在（不誘）鋼管的內(nèi)壁和/或外壁上， 可W有效地阻隔氨氣，并具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性；
[0020] 2)將氮化侶鐵材料鍛在（不誘）鋼管的內(nèi)壁上時(shí)，還可W減少導(dǎo)熱流體流動(dòng)的摩 擦阻力。
【附圖說明】
[0021] 圖1是實(shí)施例中采用氮化侶鐵層的集熱原件選擇性涂層的示意圖。
[002引圖2是實(shí)施例中制備的抗氨阻隔層的SEM圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面通過具體實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0024] 目前已知的阻隔層，如侶的氧化物，對(duì)氨氣的阻隔效果不足；采用一層很薄的侶可 W有效地阻隔氨氣，但侶在高溫下很容易氧化，所W短時(shí)間內(nèi)就會(huì)失效。本發(fā)明提供了一陣 新的抗氨氣阻隔層，采用氮化侶鐵（TiyAlyN)材料，鍛在（不誘）鋼管的內(nèi)壁和/或外壁上。
[0025] 氮化侶鐵是一種抗磨損涂層，其在高溫下非常穩(wěn)定，甚至在空氣中，只有在800攝 氏度W上才會(huì)分解。加入銘或娃等元素能進(jìn)一步增強(qiáng)其穩(wěn)定性。
[0026] 本發(fā)明將該種涂層作為抗氨阻隔層，能極大地減少氨滲透。在奧氏體不誘鋼上測(cè) 得其具有100至1000倍的阻隔效果。在鋼管內(nèi)壁鍛制時(shí)，裝置涂層還可W降低導(dǎo)熱流體的 摩擦阻力。目前聚焦太陽能（CS巧槽式發(fā)電站生產(chǎn)電能中10%用于在寬闊的太陽能場(chǎng)地里 輸送導(dǎo)熱流體。摩擦阻力降低從而大幅減少了寄生能量的消耗，提高電站電能輸出。
[0027] 該種采用TiyAlyN材料的抗氨阻隔層可W采用反應(yīng)磁控共瓣射工藝、鐵侶燒結(jié)祀 反應(yīng)磁控瓣射工藝、高能脈沖磁控瓣射工藝等方法制備。
[002引 1)采用反應(yīng)磁控共瓣射工藝或鐵侶燒結(jié)祀反應(yīng)磁控瓣射工藝將該種涂層鍛制在 鋼管內(nèi)壁和/或外壁上。
[0029] 可W在氣氣和氮?dú)鈿夥障掠描F侶祀反應(yīng)磁控瓣射制備，混合的鐵侶祀是兩種成分 均勻混合燒結(jié)而成的祀材。也可W在氣氣和氮?dú)鈿夥障掠描F祀、侶祀反應(yīng)磁控共瓣射制備。 該里采用的是純的鐵祀和侶祀是同時(shí)瓣射，即"共瓣射"。要達(dá)到降低氨滲透的效果，需要厚 度達(dá)到200nm W上。當(dāng)鐵侶燒結(jié)祀材中侶的原子百分比為40%、鐵的原子百分比為60%時(shí) 達(dá)到最佳。然而，當(dāng)侶的原子百分比在10%至90%之間時(shí)，都能得到比較好的效果。如前 所述，添加合金化元素，如銘和娃，可W進(jìn)一步提高其高溫穩(wěn)定性。
[0030] 2)采用高能脈沖磁控瓣射工藝化IPIM巧將該種涂層鍛制在鋼管內(nèi)壁和/或外壁 上。采用高能脈沖磁控瓣射工藝可W減少柱狀生長(zhǎng)，降低高厚度膜層中的應(yīng)力。
[0031] 圖1是采用上述Ti,AlyN層的集熱原件選擇性涂層一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其包括：
[0032] 鋼管或鋼管管壁9,作為基材；
[0033] 可選擇的通過基材本身擴(kuò)散生長(zhǎng)出來的金屬氧化物或氮化物膜層1，其作用是阻 隔基材中的成分向選擇性吸收膜層中擴(kuò)散，也阻隔選擇性吸收膜層中的成分向基材擴(kuò)散；
[0034] 一層很厚的AlJiyN層（即抗氨氣阻隔層）2,至少200皿厚；
[0035] 可選擇的抗擴(kuò)散阻隔層3,用來防止IR層擴(kuò)散到AlxTiyN中（不過，應(yīng)注意A1 JiyN 是非常好的抗擴(kuò)散阻隔層，所W該一層可W省略）；
[0036] 選擇性膜層的紅外反射層（IR層）4,其作用是反射紅外福射，得到低發(fā)射值；
[0037] 抗擴(kuò)散阻隔層5,防止IR層轉(zhuǎn)移進(jìn)入陶瓷層；
[003引高金屬含量陶瓷層或陶瓷層滲入半導(dǎo)體材料6 ;
[0039] 低金屬含量陶瓷層或陶瓷層滲入半導(dǎo)體材料7,比材料層6的金屬含量或半導(dǎo)體 含量低，從而折射率更低，上述兩層6和7共同構(gòu)成吸收層，其作用是吸收可見光，并在紅外 波段盡可能透明；
[0040] 減反射層8,其作用是降低反射。
[0041] 上述各材料層中，抗擴(kuò)散阻隔層可W采用化學(xué)或電化學(xué)方法制備，例如用高溫?cái)U(kuò) 散工藝或電化學(xué)工藝制得的鑲、金屬或半導(dǎo)體氧化物、金屬或半導(dǎo)體氮化物等材料；也可W 采用真空鍛膜技術(shù)制備；紅外反射層和吸收層可采用磁控瓣射工藝制備；減反射層可W采 用反應(yīng)磁控瓣射工藝制備。
[00創(chuàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)補(bǔ)充；
[0043] 圖2是上述制備的抗氨阻隔層的沈M圖像。上述制備的抗氨阻隔層減少氨滲透的 性能數(shù)據(jù)如表1所示。
[0044] 表1.抗氨阻隔層性能數(shù)據(jù)
[0045]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種抗氫阻隔層，其特征在于，其材料為氮化鋁鈦。
2. 如權(quán)利要求1所述的抗氫阻隔層，其特征在于：其厚度為至少200nm。
3. -種太陽能集熱元件，包含鋼管和與其同心安裝的玻璃管，其特征在于，所述鋼管的 外壁和/或內(nèi)壁上設(shè)有抗氫阻隔層，所述抗氫阻隔層的材料為氮化鋁鈦。
4. 如權(quán)利要求3所述的太陽能集熱元件，其特征在于：所述抗氫阻隔層的厚度為至少 200nm〇
5. 如權(quán)利要求3或4所述的太陽能集熱元件，其特征在于：所述抗氫阻隔層外依次設(shè) 有紅外反射層、抗擴(kuò)散阻隔層、吸收層和減反射層。
6. 如權(quán)利要求5所述的太陽能集熱元件，其特征在于：所述抗氫阻隔層和所述紅外反 射層之間設(shè)有抗擴(kuò)散阻隔層。
7. 如權(quán)利要求3或4所述的太陽能集熱元件，其特征在于：所述鋼管的外壁和/或內(nèi) 壁上通過基材本身擴(kuò)散生長(zhǎng)出金屬氧化物或氮化物膜層，所述抗氫阻隔層設(shè)于所述金屬氧 化物或氮化物膜層上。
8. 如權(quán)利要求3或4所述的太陽能集熱元件，其特征在于：所述吸收層包含兩層，靠近 所述抗擴(kuò)散阻隔層的一層為高金屬含量陶瓷層或摻入半導(dǎo)體材料的陶瓷層；另一層為金屬 含量或半導(dǎo)體含量比前一層更低的陶瓷層。
9. 一種制備抗氫阻隔層的方法，其特征在于，采用下列方法中的一種將氮化鋁鈦鍍制 在不銹鋼管內(nèi)壁和/或外壁上：反應(yīng)磁控共濺射工藝、鈦鋁燒結(jié)靶反應(yīng)磁控濺射工藝、高能 脈沖磁控濺射工藝。
10. -種包含權(quán)利要求3至8中任一項(xiàng)所述太陽能集熱元件的太陽能光熱發(fā)電電站。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種采用氮化鋁鈦材料的集熱元件抗氫阻隔層及制備方法。太陽能集熱元件包含鋼管和與其同心安裝的玻璃管，所述鋼管的外壁和/或內(nèi)壁上設(shè)有抗氫阻隔層，所述抗氫阻隔層的材料為氮化鋁鈦(TixAlyN)。該抗氫阻隔層可以采用反應(yīng)磁控共濺射工藝、鈦鋁燒結(jié)靶反應(yīng)磁控濺射工藝制備，或者采用高能脈沖磁控濺射工藝(HIPIMS)制備。本發(fā)明的抗氫氣阻隔層可以有效地阻隔氫氣，并具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，將氮化鋁鈦材料鍍?cè)阡摴艿膬?nèi)壁上時(shí)，還可以減少導(dǎo)熱流體流動(dòng)的摩擦阻力。
【IPC分類】B32B15-04, B32B18-00, B32B9-04, C23C14-35, F24J2-48, C23C14-06
【公開號(hào)】CN104567047
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410705762
【發(fā)明人】康雪慧
【申請(qǐng)人】康雪慧
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年11月27日