專利名稱：太陽選擇性吸收涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以磁控濺射鍍膜制備的、防擴(kuò)散、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的太陽選擇性吸收涂層及其制備方法，屬于太陽能光熱轉(zhuǎn)換利用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前在國內(nèi)太陽能光熱利用行業(yè)中，以全玻璃真空太陽集熱管為光熱轉(zhuǎn)換器件的集熱系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，而真空集熱管吸熱體(內(nèi)管)上附著的選擇性吸收涂層用于吸收入射的太陽輻射能并將其轉(zhuǎn)化成熱能。國內(nèi)太陽能企業(yè)生產(chǎn)真空集熱管的選擇性吸收涂層主要是利用磁控濺射技術(shù)所制備的ALN-AL和SS-ALN/Cu涂層，隨著技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)手段不斷完善，SS-ALN/Cu涂層制作的真空集熱管所占市場份額越來越大，SS-ALN/Cu涂層為三種靶材(鋁靶、不銹鋼靶、銅 靶)制作，其膜系結(jié)構(gòu)主要為三層紅外高反射層、吸收層、減反射層，其中吸收層為兩個(gè)金屬體積比不同的亞層組成(如圖I所示)。基材玻璃管；紅外高反射層TP2銅靶制備的銅金屬膜；吸收層2 :高金屬體積比復(fù)合膜(HMVF);吸收層I :低金屬體積比復(fù)合膜(LMVF);減反射層氮化鋁(ALN)介質(zhì)膜。當(dāng)上述各膜層組合在一起的時(shí)候，就構(gòu)成了太陽選擇性吸收涂層。陽光透過減反射層被吸收層吸收同轉(zhuǎn)換成熱能，而光波在各層間傳播的過程中，由于各次層光學(xué)參數(shù)的差異使得光波在層間發(fā)生多次反射及相互干涉現(xiàn)象，這樣就進(jìn)一步增大了膜層對光輻射的吸收，而紅外高反射層能有效阻止工作介質(zhì)對外輻射熱損。在溫度300°C以上的環(huán)境中，SS-ALN/Cu選擇性吸收涂層中的高金屬體積比吸收層中的金屬粒子將會向底金屬層(紅外高反射層)中遷移擴(kuò)散，從而導(dǎo)致高金屬體積比吸收層(HMVF)金屬粒子濃度變小，同時(shí)由于金屬粒子的擴(kuò)散使底金屬層的成分發(fā)生變化純度下降，結(jié)果是涂層的吸收率下降、發(fā)射率上升。為此我們作了如下實(shí)驗(yàn)用分光光度計(jì)和發(fā)射率檢測儀對剛鍍制的涂層進(jìn)行檢測，吸收率(α )為O. 92，發(fā)射率(eh) O. 05，然后在10_3Pa真空狀態(tài)下對該涂層進(jìn)行400°C并恒溫I小時(shí)的烘烤，再對涂層進(jìn)行檢測，涂層吸收率O. 88，發(fā)射率O. 07，同時(shí)底金屬層(紅外高反射層)的顏色也由烘烤前的紫紅色變成了金黃色。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SS-ALN/Cu涂層在300°C以上的環(huán)境中運(yùn)用時(shí)，膜系結(jié)構(gòu)將會遭到破壞，性能發(fā)生衰減。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述SS-ALN/Cu涂層存在的缺陷，制備了一種太陽吸收率高、發(fā)射率低，同時(shí)膜系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，熱穩(wěn)定性優(yōu)異的太陽選擇性吸收涂層及其制備方法。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為
一種太陽選擇性吸收涂層，包括基材，基材上逐層鍍制紅外高反射層、第一防擴(kuò)散層、第一吸收層、第二吸收層以及減反射層；其中第一吸收層為高金屬體積比吸收層、第二吸收層為低金屬體積比吸收層。
第一吸收層與第二吸收層之間還設(shè)置第二防擴(kuò)散層。紅外高反射層為銅底金屬層，第一防擴(kuò)散層為氮化鋁介質(zhì)膜層，第一吸收層為充填因子fi=0. 3^0. 45所得到SS-AlN復(fù)合膜；第二吸收層為充填因子f2=0. 15^0. 3所得到的SS-AlN復(fù)合膜。紅外高反射層厚度為10(T200nm，第一防擴(kuò)散層厚度為5 15nm，高金屬體積比吸收層厚度為3(T90nm，低金屬體積比吸收層厚度為2(T60nm，第二防擴(kuò)散層厚度為3飛nm，減反射層厚度為3(T80nm。紅外高反射層厚度為200nm，第一防擴(kuò)散層厚度為8nm，高金屬體積比吸收層厚度為50nm,低金屬體積比吸收層厚度為40nm,第二防擴(kuò)散層厚度為5nm,減反射層厚度為73nm。一種太陽選擇性吸收涂層的制備方法
步驟1，紅外高反射層制備在鍍膜機(jī)真空室真空度達(dá)到工作真空度時(shí)，充入純惰性氣體氬氣，啟動銅靶，在基材上鍍制銅底金屬層；
步驟2，第一防擴(kuò)散層制備在真空室中充入工作氣體氬氣的同時(shí)充入反應(yīng)氣體氮?dú)猓瑔愉X靶，在紅外高反射層上鍍制純氮化鋁介質(zhì)膜；
步驟3，第一吸收層(HMVF)制備在真空室中充入工作氣體氬氣的同時(shí)充入反應(yīng)氣體氮?dú)?N2),啟動鋁靶和不銹鋼靶，在第一防擴(kuò)散層上鍍制SS-AlN復(fù)合膜，充填因子^=0. 3^0. 45 ；
步驟4，第二防擴(kuò)散層制備在真空室中充入工作氣體氬氣的同時(shí)充入反應(yīng)氣體氮?dú)?，在第一吸收層上鍍制純氮化鋁介質(zhì)膜；
步驟5，第二吸收層(LMVF)制備在真空室中充入工作氣體氬氣的同時(shí)充入反應(yīng)氣體氮?dú)猓瑔愉X靶和不銹鋼靶，在第二防擴(kuò)散層上鍍制SS-AlN復(fù)合膜，充填因子f2=0. 15 O. 3 ；
步驟6，減反射層制備在真空室中充入工作氣體氬氣的同時(shí)充入反應(yīng)氣體氮?dú)?，在第二吸收層上鍍制純氮化鋁介質(zhì)膜。本發(fā)明的有益效果為
使用本發(fā)明其優(yōu)點(diǎn)在于因?yàn)榈X(AlN)的熔點(diǎn)為2200°C，具有優(yōu)異的高溫?zé)岱€(wěn)定性，用氮化鋁(AlN)用作防擴(kuò)散層，完全可以起到阻止金屬粒子擴(kuò)散的作用，吸收率高、發(fā)射率低，同時(shí)膜系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，反應(yīng)條件要求不高，節(jié)約了生產(chǎn)成本。


圖I為本發(fā)明太陽選擇性吸收涂層結(jié)構(gòu)示意 圖2為本發(fā)明太陽選擇性吸收涂層反射率曲線圖。圖中1，基底；2，紅外高反射層；3，第一防擴(kuò)散層；4，第一吸收層；5，第二防擴(kuò)散層；6，弟_■吸收層；7，減反射層。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)一步描述。如圖I所示，本發(fā)明選擇性吸收涂層在玻璃基底I上逐層鍍制紅外高反射層2(底金屬層)、第一防擴(kuò)散層3、第一吸收層4、第二防擴(kuò)散層5、第二吸收層6、減反射層7,第一吸收層為高金屬體積比吸收層、第二吸收層為低金屬體積比吸收層。涂層的制備方法如下
紅外高反射層在鍍膜機(jī)真空室真空度達(dá)到工作真空度時(shí)，在真空室中充入純惰性氣體氬氣，啟動銅靶，在基材上鍍制銅底金屬層，厚度為10(T200nm ；
第一防擴(kuò)散層在真空室中充入工作氣體氬氣的同時(shí)充入反應(yīng)氣體氮?dú)?，啟動鋁靶，在紅外高反射層上鍍制純氮化鋁(AlN)介質(zhì)膜，厚度為5 15nm ；
第一吸收層(HMVF):在真空室中充入工作氣體氬氣的同時(shí)充入反應(yīng)氣體氮?dú)猓瑔愉X靶和不銹鋼靶，在第一防擴(kuò)散層上鍍制SS-AlN復(fù)合膜，充填因子4=0. 3^0. 45膜層厚度為30 90nm ；
第二防擴(kuò)散層在真空室中充入工作氣體氬氣的同時(shí)充入反應(yīng)氣體氮?dú)猓诘谝晃?層上鍍制純氮化鋁(AlN)介質(zhì)膜氮化鋁(A1N)，厚度3飛nm ；
第二吸收層(LMVF):在真空室中充入工作氣體氬氣的同時(shí)充入反應(yīng)氣體氮?dú)?，啟動鋁靶和不銹鋼靶，在第二防擴(kuò)散層上鍍制SS-AlN復(fù)合膜，充填因子f2=0. 15^0. 3膜層厚度為20 60nm ；
減反射層在真空室中充入工作氣體氬氣(Ar)的同時(shí)充入反應(yīng)氣體氮?dú)?N2),在第二吸收層上鍍制純氮化鋁(AlN)介質(zhì)膜，厚度為3(T80nm。當(dāng)厚度參數(shù)為紅外高反射層厚度為200nm，第一防擴(kuò)散層厚度為8nm，高金屬體積比吸收層厚度為50nm,低金屬體積吸收層厚度為40nm,第二防擴(kuò)散層厚度為5nm,減反射層厚度為73nm。此時(shí)效果最佳，為優(yōu)選參數(shù)。分別在紅外高反射層與高金屬體積比吸收層之間增加了防擴(kuò)散層1，在高金屬體積比吸收層與低金屬體積比吸收層之間增加了防擴(kuò)散層2，防擴(kuò)散層1、2與減反射層一樣均為純氮化鋁(AlN)介質(zhì)膜。需要指出的是，對于防擴(kuò)散層2在實(shí)際涂層制備過程中也可以根據(jù)需要不做。使用本發(fā)明的太陽能集熱材料的選擇性吸收涂層及其制備方法，其優(yōu)點(diǎn)在于因?yàn)榈X(AlN)的熔點(diǎn)為2200°C，具有優(yōu)異的高溫?zé)岱€(wěn)定性，用氮化鋁(AlN)用作防擴(kuò)散層，完全可以起到阻止金屬粒子擴(kuò)散的作用，同時(shí)反映條件要求不高，節(jié)約了生產(chǎn)成本。對于剛沉積的涂層進(jìn)行檢測，其吸收率(α )為O. 93，半球向發(fā)射率(ε h)為O. 06，從圖2所示反射率曲線中可以看到，膜層的吸收限波長在1300nm以上，有較寬的光譜吸收范圍，曲線有兩個(gè)干涉低點(diǎn)，說明涂層具有明顯的干涉效應(yīng)，曲線尾部上升段非常陡峭，說明整個(gè)涂層具有良好的太陽選擇性吸收性能。該涂層在經(jīng)過400°C恒溫40分鐘的真空烘烤以后，其吸收率進(jìn)一步上升到O. 95以上，而發(fā)射率卻下降到O. 05以下。這是因?yàn)樵诟邷睾婵鞠?，紅外高反射層(底金屬層)收縮，晶體點(diǎn)陣排列更加致密，紅外反射性能提高，使膜系的發(fā)射率下降；由于防擴(kuò)散層的存在不會發(fā)生前面所述的各層相互滲透的情況，但是高、低吸收層中的金屬離子在本層中會發(fā)生擴(kuò)散，這樣正好彌補(bǔ)了膜層在制備過程中，濺射不均勻性造成的金屬粒子分布的不均勻性，使高低吸收層中的金屬粒子分布更加均勻，整個(gè)涂層對光的干涉作用進(jìn)一步增強(qiáng)，從而提高了膜層的吸收率。
權(quán)利要求
1.一種太陽選擇性吸收涂層，其特征在于包括基材，基材上逐層鍍制紅外高反射層、第一防擴(kuò)散層、第一吸收層、第二吸收層以及減反射層；其中第一吸收層為高金屬體積比吸收層、第二吸收層為低金屬體積比吸收層。
2.如權(quán)利要求I所述太陽選擇性吸收涂層，其特征在于第一吸收層與第二吸收層之間還設(shè)置第二防擴(kuò)散層。
3.如權(quán)利要求2所述太陽選擇性吸收涂層，其特征在于紅外高反射層為銅底金屬層，第一防擴(kuò)散層為氮化鋁介質(zhì)膜層，第一吸收層為充填因子f\=0. 3^0. 45所得到SS-AlN復(fù)合膜；第二吸收層為充填因子f2=0. 15^0. 3所得到的SS-AlN復(fù)合膜。
4.如權(quán)利要求3所述太陽選擇性吸收涂層，其特征在于紅外高反射層厚度為10(T200nm，第一防擴(kuò)散層厚度為5 15nm，高金屬體積比吸收層厚度為3(T90nm，低金屬體積比吸收層厚度為2(T60nm，第二防擴(kuò)散層厚度為3飛nm，減反射層厚度為3(T80nm。
5.如權(quán)利要求4所述太陽選擇性吸收涂層，其特征在于紅外高反射層厚度為200nm，第一防擴(kuò)散層厚度為8nm，高金屬體積比吸收層厚度為50nm，低金屬體積比吸收層厚度為40nm,第二防擴(kuò)散層厚度為5nm,減反射層厚度為73nm。
6.一種如權(quán)利要求3或4所述太陽選擇性吸收涂層的制備方法，其特征在于 步驟1，紅外高反射層制備在鍍膜機(jī)真空室真空度達(dá)到工作真空度時(shí)，充入純惰性氣體氬氣，啟動銅靶，在基材上鍍制銅底金屬層； 步驟2，第一防擴(kuò)散層制備在真空室中充入工作氣體氬氣的同時(shí)充入反應(yīng)氣體氮?dú)?，啟動鋁靶，在紅外高反射層上鍍制純氮化鋁介質(zhì)膜； 步驟3，第一吸收層(HMVF)制備在真空室中充入工作氣體氬氣的同時(shí)充入反應(yīng)氣體氮?dú)?N2),啟動鋁靶和不銹鋼靶，在第一防擴(kuò)散層上鍍制SS-AlN復(fù)合膜，充填因子f\=0. 3^0. 45 ； 步驟4，第二防擴(kuò)散層制備在真空室中充入工作氣體氬氣的同時(shí)充入反應(yīng)氣體氮?dú)?，在第一吸收層上鍍制純氮化鋁介質(zhì)膜； 步驟5，第二吸收層(LMVF)制備在真空室中充入工作氣體氬氣的同時(shí)充入反應(yīng)氣體氮?dú)?，啟動鋁靶和不銹鋼靶，在第二防擴(kuò)散層上鍍制SS-AlN復(fù)合膜，充填因子f2=0. 15 0. 3 ； 步驟6，減反射層制備在真空室中充入工作氣體氬氣的同時(shí)充入反應(yīng)氣體氮?dú)?，在第二吸收層上鍍制純氮化鋁介質(zhì)膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種太陽選擇性吸收涂層及其制備方法，該涂層包括基材，基材上逐層鍍制紅外高反射層、第一防擴(kuò)散層、第一吸收層、第二吸收層以及減反射層；其中第一吸收層為高金屬體積比吸收層、第二吸收層為低金屬體積比吸收層。本發(fā)明涂層太陽吸收率高、發(fā)射率低，同時(shí)膜系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，熱穩(wěn)定性優(yōu)異。
文檔編號C23C14/34GK102816992SQ20121028495
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月10日
發(fā)明者邵志雄, 趙峰, 閆文忠 申請人:湖北桑夏太陽能產(chǎn)業(yè)有限公司