專利名稱：紅外反射體的制作方法
紅外反射體本發(fā)明涉及紅外反射體的開發(fā)。21世紀(jì)主要的全球挑戰(zhàn)之ー涉及能量以更有效和更環(huán)境友好的方式的制備、分布和消耗。該挑戰(zhàn)在所有的經(jīng)濟部門中成為普遍存在的，并且影響了尋找具有較低能耗的解決方案的未來エ業(yè)活動。在該減少能量支出的背景下，探尋這樣的涂層該涂層能夠限制腔體中的溫度上升，即能夠防止能量損失到外部。出于此目的，該涂層必須具有高的熱輻射反射率(近和中紅外(IR)范圍)。高的熱輻射反射率意味著在2. 5-14. 5 iim范圍內(nèi)高于70%的平均紅外輻射反射率。通常，在腔體中例如家用電爐或汽車排氣系統(tǒng)中，腔壁吸收由加熱元件所發(fā)射的紅外輻射。它們變熱進而發(fā)射出延伸到更長波長的輻射，因為它們的溫度低于加熱元件的溫度。該輻射將會部分被布置在腔體內(nèi)的物體所吸收，并且剰余部分將會再次被腔壁吸收。通過腔體內(nèi)的對流并且通過構(gòu)成腔壁的各個層中的傳導(dǎo)，將ー些沒有被輻射的熱能傳輸?shù)角惑w的外壁，在那里在提高其經(jīng)過的各個層的溫度之后通過對流將會消散于周圍的空氣中。為了限制到腔體外部的能量損失并且改善所述設(shè)備的能量性能，一個解決方案由在腔體內(nèi)捕獲紅外輻射構(gòu)成，其使得能夠避免能量損失和任選地借助于使用絕緣泡沫。由于它們的高紅外反射率，金屬性基材(任選涂覆有金屬)對于此目的是特別理想的。然而，對于它們的使用而言存在很多這樣的缺點-例如在冷軋鋼(或黑鐵板)的情形中基材的過早腐蝕-例如在鋁或鍍鋁涂層的情形中在堿性介質(zhì)中的腐蝕-例如在不銹鋼的情形中在溫度升高期間表面的變黃-與污物接觸的表面不存在可清潔性-例如在銅或鋁的情形中在潮濕環(huán)境中的銹蝕為了承受高溫和腐蝕和/或氧化性的環(huán)境，我們通常利用上漆或上釉的表面。然而，這些表面具有低的紅外反射率并且不允許能量増益。相比之下，使用金屬性基材(任選涂覆有金屬)作為腔體壁提供了相對于上漆或上釉的腔壁約20%的能量増益。本發(fā)明的目的是提供同時具有高紅外反射率和對高溫和對腐蝕和/或氧化性環(huán)境的良好耐受性的紅外反射體。已設(shè)計并實現(xiàn)了該紅外反射體用于克服上述的缺點并且用于獲得其它的優(yōu)點。出于該目的，本發(fā)明首先涉及ー種由金屬性基材構(gòu)成的紅外反射體，其主要特征在于該金屬性基材涂覆有通式為(ZrxCr1JhNy (x為0. 15-0. 7并且y為0. 01-0. 265)的鋯和鉻的氮化物層。根據(jù)本發(fā)明的紅外反射體還可包含以下任選的特征(単獨或組合)-鋯和鉻的氮化物層為l_150nm厚度-該層具有的鋯比例X為0.25-0. 5-該層具有的氮化程度y為0.1-0. 25-該金屬性基材在2.5-14. 5 ii m范圍內(nèi)在紅外中具有80%_99%的平均發(fā)射率。、
-該金屬性基材由鋼組成，該鋼預(yù)先覆蓋有O鋁合金，其包含8-11重量％的硅和2-4重量％的鐵，余量由鋁和因加工所致的不可避免的雜質(zhì)組成
O或鋁層，余量由因加工所致的不可避免的雜質(zhì)組成O或相繼地鋁合金(其包含8-11重量％的硅和2-4重量％的鐵，余量由鋁和因加工所致的不可避免的雜質(zhì)組成)和鋁合金層。-紅外反射體可用于制作腔體的內(nèi)壁，后者優(yōu)選為烹飪爐或汽車排氣系統(tǒng)。因此將理解，所提出的技術(shù)問題的解決方案由以下步驟構(gòu)成選擇具有高紅外反射率的金屬性表面并且用鋯和鉻的氮化物沉積物處理該金屬表面。其次，本發(fā)明涉及制造根據(jù)本發(fā)明的紅外反射體的方法，其主要包括以下步驟-提供金屬性基材-通過物理氣相沉積技術(shù)優(yōu)選通過磁控濺射在所述基材上沉積鋯和鉻的氮化層，其使用O祀材,其由15-70重量％的錯和余量組成,該余量由鉻和因加工所致的不可避免的雜質(zhì)組成O以4/16至16/16比例注入氮與中性載體氣，同時沉積鋯和鉻。在閱讀了下面給出的描述后，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將變得清楚。因而，根據(jù)本發(fā)明的紅外反射體首先由任選地涂覆有金屬的金屬性基材構(gòu)成。取決于所需要的應(yīng)用和性能，可使用以下物質(zhì)(但該清單不是窮舉的)黑鐵板，鍍鋅鋼，涂覆有包含5重量％鋁的鋅合金(Galfan )的鋼，涂覆有包含55重量％鋁、約1.5重量％硅、由鋅和因加工所致的不可避免雜質(zhì)組成的余量的鋅合金(Aluzinc ,Galvalume )的鋼，涂覆有包含約8-11重量％硅和2-4重量％鐵、由鋁和因加工所致的不可避免雜質(zhì)組成的余量的鋁合金(Alusi )的鋼，涂覆有鋁層的鋼(Alupur )，不銹鋼，鋁，銅，相繼涂覆有包含約8-11重量％硅和2-4重量％鐵、由鋁和因加工所致的不可避免的雜質(zhì)組成的余量的鋁合金(Alusi )和20-60nm厚度的鋁合金層的鋼。這些不同的基材在
2.5-14. 5 u m范圍內(nèi)具有80-99%的平均紅外反射率。在本文中，金屬性基材將意指任選地涂覆有ー個或多個金屬層的金屬性基材。在腔體中，還可使該腔壁經(jīng)受苛刻、侵蝕性的條件例如-高達400V的溫度上升-暴露于侵蝕性質(zhì)的污物-暴露于堿性環(huán)境所有這些條件威脅了紅外反射體外層的整體性。本發(fā)明人意外地發(fā)現(xiàn)，通過用鋯和鉻的氮化物層涂覆高紅外反射率的金屬性基材，獲得了耐受:苛刻條件而保留聞紅外反射率的基材?？梢杂?5-70重量％的鋯和余量組分組成的合金獲得根據(jù)本發(fā)明的鋯和鉻的氮化物層，所述余量組分由鉻和因加工所致的不可避免雜質(zhì)組成。發(fā)現(xiàn)低于15%或高于70%的鋯百分比促進所形成的層的性能劣化；顯著地，對于低于15%鋯百分比，觀察到差的可清潔性，并且對于高于70%的鋯百分比，觀察到差的耐溫性。對于鉻而言，其有助于制備耐受溫度并且為深色的層。因此所形成的層將具有的鋯比例X為0. 15-0. 7。
可以通過所有的真空沉積技術(shù)在金屬性基材上沉積層，其中我們可提及例如磁控濺射PVD (物理氣相沉積)、e-束(電子束)、IBAD (離子束輔助沉積)、離子槍、JVD (噴射氣相沉積)、SIP (濺射離子鍍覆)。優(yōu)選地，我們應(yīng)該從由46重量％錯和54重量％鉻組成(Zr46Cr54)的祀材開始。事實上，從該合金開始而獲得的層具有所需要的各種特性之間的良好折衷。由于在層沉積期間的設(shè)置對于在所形成的層中有效地觀察到的鋯和鉻的百分比具有影響，并且由于測量儀器的精確性而在所測量的值中引入不確定性，因此優(yōu)選地我們應(yīng)該在所形成的層中確定
0.25-0. 5的鋯比例X。在沉積期間，通過添加 氮進行層的氮化。該氮化對于獲得所需的性質(zhì)是必不可少的。氮顯著地干擾了對紅外的透明性以及干擾了層的顔色。納入的非常少量的氮已經(jīng)足以獲得令人滿意的性質(zhì)。出于結(jié)構(gòu)原因，納入的氮量不應(yīng)該超過Me3N4型的化學(xué)計量比，其中Me表示鋯原子和鉻原子。該化學(xué)計量比對應(yīng)于26. 5重量％的最大氮百分比。優(yōu)選地，將以這樣的方法進行氮的納入，使得獲得MeN型的化學(xué)計量比，在該所需的化學(xué)計量比的MeNa8或Me\2附近的小改變是允許的。該化學(xué)計量比展示了對于紅外反射率的優(yōu)化值，取決于鋯和鉻的相對百分比，對應(yīng)于10重量％_25重量％的氮百分比。通過氮流量，更具體地通過氬和氮流量的比例，來控制層的氮化。由于所需的氮化和氮流量之間的關(guān)系是沉積機器的幾何形狀的函數(shù)，因而在本領(lǐng)域技術(shù)人員的普通知識基礎(chǔ)上可以選擇適于所用機器的流量。進行沉積使得鋯/鉻合金具有的氮化程度y為
0.01-0. 265 并且優(yōu)選為 0. 1-0. 25。由于對紅外的透明性是層厚度的函數(shù)，因而控制該厚度使得紅外反射體的平均反射率保持高于70%。低于該值，不再認(rèn)為表面是紅外反射體。為了維持充分的透明性，不應(yīng)該超過的最大厚度取決于所述金屬性基材并且取決于形成的沉積物的化學(xué)計量比。對于每個金屬性基材和每種考慮中的化學(xué)計量比，可以通過基于所形成的層的真實和虛構(gòu)的光學(xué)指數(shù)(也就是對于每個2. 5-14. 5 u m的波長)測量的數(shù)值模擬評估最大厚度。作為ー個例子，在AlUSi 的基材上沉積的通式為(ZrxCivx) i-yNy (X為0. 3并且y為0. 12)的鋯和鉻的氮化物層的情形中，在150nm的厚度下獲得該70%的紅外反射率，這將構(gòu)成最大厚度。根據(jù)本發(fā)明的紅外反射體具有以下特性-它具有的平均反射率與金屬性基材接近并且高于70%-它承受400°C的暴露-如果臟了可將它容易地清潔-它承受堿性環(huán)境還可發(fā)現(xiàn)以下其它的優(yōu)點-鋯和鉻的氮化物層改善了金屬性基材對大氣腐蝕的耐受性-對于低于40nm的厚度該層為深灰一藍色調(diào)并且對于更大的厚度為無煙煤(anthracite)灰色調(diào)。對于家用電爐型應(yīng)用，該無煙煤灰色調(diào)方便了該層的使用，其中優(yōu)選深色的層。對于裝飾應(yīng)用其還可以成為優(yōu)點。為了說明本發(fā)明，進行測試并且將測試描述為非限制性實施例。測試
評估沉積物的厚度如下在沉積物制備期間，一旦選擇了所有的沉積變量(即機器類型、靶材組成、所施加的強度和氣體流量)，則在部分遮蓋的硅上進行沉積持續(xù)固定的時間。然后通過Dektak型輪廓曲線儀測量在硅的遮蓋部分和未遮蓋部分之間的厚度變化。重復(fù)該操作不同的沉積時間。然后，對于相同的變量設(shè)置，使用由線性回歸所發(fā)現(xiàn)的速率用于選擇作為所需厚度的函數(shù)的沉積時間。通過覆蓋有所謂的Infragold 材料的積分球測量反射率。由要測量其反射率的樣品反射給定波長的束(入射角為8° )，然后通過球積分并且通過光譜傳感器測量。通過在2. 5-14. 5 u m的波長下掃描可發(fā)現(xiàn)平均反射率。通過度量衡組織確定的參照物進行校準(zhǔn)。通過將紅外反射體暴露于400°C四小時來評估耐溫性。反射體外層的任何氧化顯示出顏色變化。如果顏色變化對于裸眼是感覺不到的，則通過用分光比色計對比測量將其量化。初始色調(diào)和最終色調(diào)之間的差別以色度空間CIE 76じal/中的A:和Ab*表示。在本發(fā)明的情形中，當(dāng)A :和Ab*保持低于2吋，認(rèn)為耐溫性是令人滿意的。在暴露于400°C 四小時后，還確認(rèn)了紅外反射率未改變?？梢酝ㄟ^容易移除紅外反射體外層上的碳化元素的可能性表示清潔的容易性。用于評價清潔容易性的系統(tǒng)使得能夠?qū)υ搶拥娜萘苛炕栽俅潍@得在使用后的其原始外觀。用于評價的系統(tǒng)包括以下步驟-用食品混合物(蛋黃、咸牛奶、檸檬汁、調(diào)味番茄醬或果醬)局部覆蓋表面-在爐中碳化該混合物，將其加熱到200°C持續(xù)10分鐘，升溫時間為25分鐘-在冷卻后，為了盡可能的移除碳化混合物，進行逐步的清潔。一將清潔的容易性評級如下o5 :用干布可清潔表面o4 :用濕潤的海綿的軟面可清潔表面o3 :用濕潤的海綿的耐磨面可清潔表面o2 :用濕潤的海綿的軟面和DecapYour 型的爐清潔劑可清潔表面oi:用濕潤的海綿的耐磨面和Decap’f our 型的爐清潔劑可清潔表面oO :不能清潔表面在本發(fā)明的情形中，當(dāng)對于所有的食品混合物所獲得的平均分嚴(yán)格地高于3吋，認(rèn)為清潔的容易性是令人滿意的。通過將紅外反射體的外層與Decap，f our 型的爐清潔劑接觸，評估了在堿性環(huán)境中的耐受性。如果該接觸不引起層的任何變化，則認(rèn)為在堿性環(huán)境中的耐受性是令人滿意的。通過XPS能譜測量所形成的層中的氮化程度和鋯比例。
實施例實施本發(fā)明的實施例涉及在Alusi 基材上通過通式為(ZrxCr1J i_yNy的鋯和鉻的氮化物層的磁控濺射PVD進行的沉積。在10_6毫巴的基礎(chǔ)壓カ下的真空室中，以已知的量引入氬和氮，這取決于所述室的幾何形狀。在磁控模式中在基材和ZrxCivx靶材之間產(chǎn)生等離子體，這歸因于通過施加360W功率的發(fā)生器施加的電勢差。將Zr和Cr原子從靶材剝落并且投射到基材上。表I總結(jié)了所形成的一些層的特性和所獲得的性質(zhì)。
權(quán)利要求
1.ー種由金屬性基材構(gòu)成的紅外反射體，其特征在干其涂覆有通式為(ZrxCivx)1INy的鋯和鉻的氮化物層，其中X為0. 15-0. 7并且y為0. 01-0. 265。
2.如權(quán)利要求I所述的紅外反射體，其中所述鋯和鉻的氮化物層的厚度為l_150nm。
3.如權(quán)利要求I或2所述的紅外反射體，其中所述層具有的鋯比例X為0.25-0. 5。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的紅外反射體，其中所述層具有的氮化程度y為0. I-O. 25 o
5.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的紅外反射體,其中所述金屬性基材在2.5-14. 5 u m范圍內(nèi)的紅外中具有80%-99%的平均反射率。
6.如權(quán)利要求5所述的紅外反射體，其中所述金屬性基材由預(yù)先涂覆有鋁合金的鋼構(gòu)成,該招合金包含8-11重量％娃和2-4重量％鐵,余量由招和因加工所致的不可避免的雜質(zhì)組成。
7.如權(quán)利要求5所述的紅外反射體，其中所述金屬性基材由預(yù)先涂覆有鋁層的鋼構(gòu)成，該層的余量由因加工所致的不可避免的雜質(zhì)組成。
8.如權(quán)利要求5所述的紅外反射體，其中所述金屬性基材由鋼構(gòu)成，該鋼預(yù)先相繼涂覆有包含8-11重量％娃和2-4重量％鐵,余量為招和因加工所致的不可避免的雜質(zhì)組成的鋁合金和20-60nm厚度的鋁合金層。
9.制造紅外反射體的方法，其包括以下步驟 -提供金屬性基材 -通過物理氣相沉積技術(shù)在所述基材上沉積鋯和鉻的氮化物層，其使用 O靶材，其由15-70重量％鋯和余量組成，該余量由鉻和因加工所致的不可避免的雜質(zhì)組成 O以4/16至16/16比例注入氮和中性載體氣，同時沉積鋯和鉻。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中通過磁控濺射進行所述沉積。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述或根據(jù)權(quán)利要求9或10的方法獲得的紅外反射體用于制造腔體內(nèi)壁的用途。
12.如權(quán)利要求11所述的紅外反射體的用途，其中所述腔體為烹飪爐。
13.如權(quán)利要求11所述的紅外反射體的用途，其中所述腔體為汽車排氣系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明主要涉及由涂覆有通式為(ZrxCr1-x)1-yNy(其中x為0.15-0.7并且y為0.01-0.265)的鋯和鉻的氮化物層的金屬性基材構(gòu)成的紅外反射體。本發(fā)明還涉及制造該紅外反射體的方法。
文檔編號F21V7/22GK102656485SQ200980162901
公開日2012年9月5日 申請日期2009年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月17日
發(fā)明者C·勒龐, C·普瓦里耶 申請人:安賽樂米塔爾研究與發(fā)展有限責(zé)任公司