專利名稱：鉭金屬摻雜的氮化鈦金屬陶瓷薄膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高溫太陽光譜選擇性吸收膜，尤其是指一種鉭金屬摻雜的氮化鈦金屬陶瓷薄膜；可用于高溫聚光式槽式太陽能集熱管開發(fā)。

背景技術(shù)：
高溫太陽光譜選擇性吸收膜是決定高溫真空集熱管效率及發(fā)電效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。優(yōu)異的太陽能光譜選擇性吸收膜在0.3~2.5um波長范圍內(nèi)具有高的吸收率(α)，在2.5um以上的波長范圍具有較低的發(fā)射率(ε)。高溫太陽光譜選擇性吸收膜不僅具有好的光譜選擇性，還需要具有好的機(jī)械性能和耐高溫性能。
目前應(yīng)用比較多的是多層漸變鋁氮鋁(Al/N/Al)涂層，該涂層具有良好的光譜選擇性，但當(dāng)溫度升高時，發(fā)射率也隨之急劇上升，只能在250℃以下使用。國外關(guān)于中、高溫太陽能選擇性吸收膜的開發(fā)進(jìn)行大量的研究。如Mo或W摻雜的Al2O3金屬陶瓷復(fù)合膜、Ni修飾的Al2O3膜、Ni-NiOX復(fù)合膜、不銹鋼-AlN雙層陶瓷膜等已經(jīng)應(yīng)用于商業(yè)化。其中主要采用Ni、Al、Cu做為反射層；金屬復(fù)合膜為吸收層；氧化物和氮化物為減反層，如TiO2、Al2O3、SiO2、ZrO2、Nd2O3、MgO、Si3N4、TiN、AlN等。
太陽能選擇性吸收膜制備方法很多，主要有有電沉積法、化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)轉(zhuǎn)化法、蒸鍍法和磁控濺射法。磁控濺射是近年來新開發(fā)的工藝，采用磁控濺射制備的金屬陶瓷復(fù)合涂層，主要應(yīng)用在中高溫領(lǐng)域。如鎢、鉻氮化鋁選擇性涂層，基片采用銅、鋁等反射率高的金屬，將鎢、鉻等金屬粒子摻入氮化鋁介質(zhì)，得到金屬陶瓷復(fù)合涂層，集熱溫度可達(dá)350℃以上。Farooq MO等采用Ni:SiO2金屬陶瓷作吸收層，Ni在涂層表面的體積比為10％，到底部逐漸變化為90％，涂層厚度為100～170nm，吸收率為0.96，發(fā)射率為0.03～0.14。ZhangQi-chu等采用摻鉬的三氧化二鋁(Mo-Al2O3)金屬陶瓷作為選擇性吸收涂層材料，Al2O3作減反射層，雙層Mo-Al2O3金屬陶瓷層作吸收層，Mo或Cu作反射層，該涂層在350℃下性能穩(wěn)定，吸收率0.96，發(fā)射率為0.11。
然而大部分的膜層在500℃高溫下，不能保持穩(wěn)定的光學(xué)性能，光學(xué)性能下降。氮化物或氧化物金屬陶瓷具有優(yōu)異的光學(xué)性能，如TiN、TiO2、AlN、Al2O3等等。各自具有特定的光譜性能。其中TiN和AlN薄膜對太陽光譜是完全透明的。但是通過摻雜、離子注入、團(tuán)簇包埋的方法，可以改變金屬陶瓷薄膜的光學(xué)性能。

實用新型內(nèi)容本實用新型針對高溫下選擇性吸收膜熱穩(wěn)定性差的問題提出一種鉭摻雜的氮化鈦金屬陶瓷薄膜，根據(jù)各膜層的折射率和消光系數(shù)不同設(shè)計成梯度吸收膜層，獲得高吸收率、低反射率、熱穩(wěn)定性好的太陽能選擇性吸收涂層。
為實現(xiàn)上述之目的，本實用新型采取如下技術(shù)方案 一種鉭金屬摻雜的氮化鈦金屬陶瓷薄膜，依次由在基體上濺射的鈦反射層，耐高溫的鉭金屬摻雜的氮化鈦吸收層和氮化鈦減反射層構(gòu)成。
所述的吸收層由不同金屬含量的多層梯度吸收膜構(gòu)成，其中包括有高金屬含量層、中金屬含量層和低金屬含量層，三層之間鉭金屬含量逐步降低。
該吸收膜的總厚度為180~300nm。
所述鈦反射層的厚度為300~500nm。
所述氮化鈦減反層的厚度為30~60nm。
本實用新型優(yōu)點在于采用高熔點金屬鉭摻雜的氮化鈦具有更好的耐高溫、抗氧化性能，其中經(jīng)過鉭摻雜改性的氮化鈦(TaTiN)具有優(yōu)異的光譜性能，是一種好的太陽能選擇性吸收材料。根據(jù)各膜層的折射率和消光系數(shù)不同，不但將反射層、吸收層和減反層設(shè)計成梯度膜層，而且進(jìn)一步將吸收層(TaTiN)設(shè)計成多層梯度膜，使得太陽光譜的紫外、可見和紅外光(200~2500nm)經(jīng)過多次反射、折射、干涉和吸收后，96％以上的輻射被涂層吸收，轉(zhuǎn)化成熱量，獲得一種高吸收率、低反射率、熱穩(wěn)定性好的太陽能選擇性吸收涂層。

圖1是本實用新型金屬陶瓷薄膜的截面示意圖。
圖2是制備本實用新型所使用的四靶濺射設(shè)備的剖面示意圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖與具體實施方式
對本實用新型作進(jìn)一步描述。
如圖1，示出了本實用新型高溫金屬鉭摻雜的氮化鈦金屬陶瓷薄膜結(jié)構(gòu)示意圖；其中該薄膜包括依次在基體上濺射的鈦反射層2、鉭摻雜的氮化鈦多層界面吸收層3和氮化鈦減反射層4；其中吸收層3包括高金屬含量層、中金屬含量層和低金屬含量層，三層之間鉭金屬含量逐漸降低。
各鍍層的成分、顏色及厚度如圖表1所示
本發(fā)明使用的四靶濺射設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用該設(shè)備可制備由鈦(Ti)反射層、鉭摻雜的氮化鈦(TaTiN)多層界面吸收層和氮化鈦(TiN)減反射層組成的金屬陶陶瓷薄膜，制備方法如下 濺射爐7內(nèi)設(shè)置四個平面靶電極，兩個鉭靶8和10和兩個鈦靶9和11，鈦靶和鉭靶都安裝在濺射爐的側(cè)壁上；旋轉(zhuǎn)架12上放置基材1(即樣品)，基材可以在旋轉(zhuǎn)架的環(huán)形軌道上轉(zhuǎn)動的同時實現(xiàn)自身旋轉(zhuǎn)，利于均勻鍍膜。在靶8、9、10、11和基材之間設(shè)置不同電壓，從進(jìn)氣管5通入氬氣、進(jìn)氣管6通入氮氣。用氬離子轟擊靶材的表面，金屬原子和原子團(tuán)被濺射出來，不能與氮氣反應(yīng)的材料直接沉積在基材上，和氮氣反應(yīng)的材料生成氮化物沉積在基材上?？刂频獨獾牧髁靠梢钥刂频锏纳闪?，通入過量的氮氣時材料全部反應(yīng)生成氮化物沉積到基材上，從而完成復(fù)合涂層的制備過程。
各層制備工藝分別說明如下 首先在基材1上鍍制一層金屬反射層2，反射層的材料為鈦，該層的制備設(shè)置兩個鈦靶9和11進(jìn)行?；姆胖糜谛D(zhuǎn)輪架上，密閉，抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到一定要求后，從進(jìn)氣管5通入適量的氬氣，并在基材上施加偏壓，對基材進(jìn)行清洗。開啟鈦靶，用氬離子轟擊靶材表面，使鈦金屬的原子或原子團(tuán)被濺射出來，直接沉積在基材上。此時氮氣管6關(guān)閉，鉭靶8和10不工作。
再在金屬反射層2表面鍍制鉭摻雜的氮化鈦金屬陶瓷吸收薄膜。高金屬含量吸收層制備時四靶全部開啟，中金屬含量和低金屬含量吸收層鍍制時開啟一個鉭靶和兩個鈦靶。從進(jìn)氣管5通入氬氣，用氬離子轟擊靶材表面，同時從進(jìn)氣管6通入氮氣，進(jìn)行反應(yīng)氣體為氮氣的反應(yīng)濺射。其中，鉭金屬不與氮氣反應(yīng)，鈦與氮氣反應(yīng)生成氮化鈦，兩種物質(zhì)共同沉積在基材上形成鉭摻雜的氮化鈦薄膜。鉭金屬摻雜的氮化鈦薄膜中鉭的含量通過設(shè)置靶電流、電壓、氮氣分壓進(jìn)行控制，薄膜的厚度可以通過控制濺射速率和時間進(jìn)行控制。
最后制備減反射層，在濺射室內(nèi)設(shè)置一個鈦靶9或11進(jìn)行，剩下的3個靶都不工作。采用與上述相同的方法在吸收層上鍍制一層氮化鈦減反射薄膜4，為完全透明的金屬陶瓷層。
實施例1 在四靶直流磁控濺射爐中鍍制高金屬含量TaTiN(HMCF)膜系高溫太陽能真空集熱管選擇性吸收涂層。靶電極為鉭靶和鈦靶，工藝參數(shù)如下
其中，第一層為Ti反射層，第二層為低金屬含量TaTiN金屬陶瓷吸收層，第三層為TiN減反射層。經(jīng)測定，所得涂層在200nm~2500nm之間的光譜吸收率為93％，反射率為0.9(80℃)。
實施例2 在四靶直流磁控濺射爐鍍制低金屬含量的TaTiN(LMCF)膜系高溫太陽能真空集熱管選擇性吸收涂層。靶電極為鉭靶和鈦靶，工藝參數(shù)如下
其中，第一層為Ti反射層，第二層為金屬含量在高含量和低含量之間的TaTiN金屬陶瓷吸收層，第三層為TiN減反射層。經(jīng)測定，所得涂層在200nm～2500nm之間的光譜吸收率為95％，反射率為0.7(80℃)。
實施例3 在四靶直流磁控濺射爐鍍制TaTiN(MMCF)膜系高溫太陽能真空集熱管選擇性吸收涂層。靶電極為鉭靶和鈦靶，工藝參數(shù)如下
其中，第一層為Ti反射層，第二層為金屬含量在高含量和低含量之間的TaTiN金屬陶瓷吸收層，第三層為TiN減反射層。經(jīng)測定，所得涂層在200nm～2500nm之間的光譜吸收率為95％，反射率為0.8(80℃)。
實施例四 在四靶直流磁控濺射爐鍍制TaTiN(HMCF---MMCF----LMCF)膜系高溫太陽能真空集熱管選擇性吸收涂層。靶電極為鉭靶和鈦靶，工藝參數(shù)如下
其中，第一層為Ti反射層，第二層為金屬含量依次降低的TaTiN金屬陶瓷吸收層共3層，第三層為TiN減反射層。經(jīng)測定，所得涂層在200nm~2500nm之間的光譜吸收率≥96％，反射率為≤0.6(80℃)。
以上所述，僅是本實用新型結(jié)構(gòu)較佳實施例而已，并非對本實用新型的技術(shù)范圍作任何限制，故凡是依據(jù)本實用新型的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何細(xì)微修改、等同變化與修飾，均仍屬于本實用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種鉭金屬摻雜的氮化鈦金屬陶瓷薄膜，其特征在于依次由在基體上濺射的鈦反射層，耐高溫的鉭金屬摻雜的氮化鈦吸收層和氮化鈦減反射層構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述鉭金屬摻雜的氮化鈦金屬陶瓷薄膜，其特征在于該吸收膜的總厚度為180~300nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述鉭金屬摻雜的氮化鈦金屬陶瓷薄膜，其特征在于所述鈦反射層的厚度為300~500nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述鉭金屬摻雜的氮化鈦金屬陶瓷薄膜，其特征在于所述氮化鈦減反層的厚度為30~60nm。
專利摘要本實用新型提供了鉭金屬摻雜的氮化鈦金屬陶瓷薄膜，依次由在基體上濺射的鈦反射層，耐高溫的鉭金屬摻雜的氮化鈦吸收層和氮化鈦減反射層構(gòu)成。采用高熔點金屬鉭摻雜的氮化鈦具有更好的耐高溫、抗氧化性能，其中經(jīng)過鉭摻雜改性的氮化鈦(TaTiN)具有優(yōu)異的光譜性能，是一種好的太陽能選擇性吸收材料。根據(jù)各膜層的折射率和消光系數(shù)不同，不但將反射層、吸收層和減反層設(shè)計成梯度膜層，而且進(jìn)一步將吸收層(TaTiN)設(shè)計成多層梯度膜，使得太陽光譜的紫外、可見和紅外光(200~2500nm)經(jīng)過多次反射、折射、干涉和吸收后，96％以上的輻射被涂層吸收，轉(zhuǎn)化成熱量，獲得一種高吸收率、低反射率、熱穩(wěn)定性好的太陽能選擇性吸收涂層。
文檔編號F24J2/48GK201539995SQ20092005041
公開日2010年8月4日 申請日期2009年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月19日
發(fā)明者賀冬枚, 李皓楨, 劉浩, 彭啟成, 周擁仔, 趙華平, 陳玉琴 申請人:東莞市康達(dá)機(jī)電工程有限公司