一種耐候性高效太陽(yáng)能選擇性吸收涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于薄膜材料領(lǐng)域，具體地，設(shè)及一種耐候性高效太陽(yáng)能選擇性吸收涂層 及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 利用太陽(yáng)能全方位地解決建筑內(nèi)熱水、采暖、空調(diào)和照明用能源從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能 材料與建筑一體化結(jié)合是太陽(yáng)能熱水器發(fā)展的趨勢(shì)。太陽(yáng)能與建筑一體化不是太陽(yáng)能與建 筑的簡(jiǎn)單相加，而是讓太陽(yáng)能成為建筑的一部分，太陽(yáng)能為用戶提供熱水的同時(shí)，也為整個(gè) 建筑的節(jié)能減排發(fā)揮作用。而平板型集熱器則在太陽(yáng)能與建筑一體化的推廣中起著至關(guān)重 要的作用。平板型集熱器目前正W每年200%的增幅增長(zhǎng)，3年后年推廣量將可達(dá)到800萬(wàn) 平方米左右，其產(chǎn)值將達(dá)到300億元。
[0003]太陽(yáng)能光熱利用的核屯、是光譜選擇性吸收涂層。太陽(yáng)福射能主要集中在紫外、可 見(jiàn)光、近紅外區(qū)域，太陽(yáng)能光譜選擇性吸收涂層在此區(qū)域具有較高的吸收率、在遠(yuǎn)紅外區(qū)域 具有較低的紅外發(fā)射率，將低能量密度的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成高能量密度的熱能，對(duì)太陽(yáng)能起到 富集的作用。
[0004]而國(guó)內(nèi)平板型太陽(yáng)能熱水器吸熱層主要存在兩大弊病，集熱器吸熱表面多為非選 擇性吸收表面，導(dǎo)致較高溫度下吸熱表面的熱發(fā)射率不容忽視，從而使得熱水器系統(tǒng)效率 不高，其次，其吸收表面制備方法多為涂刷和電鍛等工藝，會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染，有的工藝還存 在涂層易剝落等缺點(diǎn)。如何解決太陽(yáng)能熱水器尤其是平板型存在的問(wèn)題，關(guān)鍵就要用一種 環(huán)保的工藝制備適應(yīng)建筑一體化趨勢(shì)的高效光譜選擇吸收表面，同時(shí)又便于形成產(chǎn)業(yè)化規(guī) 模的太陽(yáng)光譜選擇性吸收薄膜。同時(shí)，太陽(yáng)能光熱吸收涂層材料對(duì)溫度、濕度、酸堿度、離子 環(huán)境等外界條件的敏感度，直接決定了太陽(yáng)能熱水器的使用壽命。所W研究如何提高太陽(yáng) 能選擇吸收涂層的耐候性、高溫耐久性、涂層抗老化性及涂層的附著力有很大的應(yīng)用價(jià)值。 新一代太陽(yáng)能集熱器技術(shù)正向高溫、平板過(guò)渡，對(duì)太陽(yáng)能選擇性吸收涂層也提出了更高的 要求，其中對(duì)涂層耐候性的要求尤其茍刻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)國(guó)內(nèi)平板太陽(yáng)能集熱器存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種耐候性高效太陽(yáng)能選 擇性吸收涂層。該涂層具有選擇性吸收性能好，耐候性強(qiáng)，制備方法環(huán)保，適用于工業(yè)化生 產(chǎn)的特點(diǎn)，在平板太陽(yáng)能集熱器的建筑一體化應(yīng)用方面具有重大的應(yīng)用前景。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供上述耐候性高效太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的制備方法， 采用環(huán)境友好型的PVD技術(shù)即陰極電弧離子鍛復(fù)合中頻磁控瓣射技術(shù)制備。
[0007]本發(fā)明的上述目的是通過(guò)W下技術(shù)方案予W實(shí)現(xiàn)的。
[0008]-種耐候性高效太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，該涂層體系具有四層結(jié)構(gòu)：由內(nèi)到外依 次為T(mén)iCrMoN/CrMoON/CrON/SiON，其中，紅外反射層TiCrMoN涂層成分如下：Ti: 28-32 at. %，Cr: 18~24at. %，Mo: 4~10at. %，N: 43~47at. %;吸收層CrMoON成分如下：Cr: 35~43at. %，Mo: 9~16at. %，0: 6~12at. %，N: 35~40at. %;減反層CrON成分如下：Cr: 42~52at. %，0: 7~12at. %，N: 39~48at. %;減反層SiON成分如下：Si: 36~42at. %，0: 12-20at. %,N: 40-49at. %〇
[0009] 本發(fā)明所述涂層體系具有四層結(jié)構(gòu)，底層TiCrMoN層同時(shí)起到高紅外反射及高溫 擴(kuò)散阻擋層的作用，CrMoON涂層起到吸收層的作用，化ON/SiON雙減反層起到減少反射并 進(jìn)一步增加透射的作用。同時(shí)，本發(fā)明采用涂層體系均為氮氧化物，吸收性能強(qiáng)，力學(xué)性能 好，雙減反層的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增強(qiáng)了吸收系數(shù)，因此，本涂層體系在耐候性太陽(yáng)能選擇性吸收 涂層領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
[0010] 優(yōu)選地，TiCrMoN紅外反射層的厚度為30~100皿，CrMoON吸收層的厚度為40~120 皿，化ON減反層的厚度為10~30皿，SiON減反層的厚度為15~30皿。
[0011] 本發(fā)明還提供上述耐候性高效太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的制備方法，包括如下步 驟： 51. 控制基體負(fù)偏電壓至80-150V，關(guān)閉Ar氣，打開(kāi)成氣，調(diào)節(jié)氣壓在0.7~1.5Pa，開(kāi) 啟純Ti化陰極電弧合金祀W及中頻磁控瓣射Mo金屬祀，調(diào)節(jié)Ti化合金祀材電流為60~120 A，中頻磁控瓣射Mo金屬祀5~15A，沉積TiCrMoN紅外反射層； 52. 保持通入成氣，同時(shí)打開(kāi)〇2氣，調(diào)節(jié)氣壓至0. 5~1.5Pa，〇2含量在5%~28%，溫度調(diào) 節(jié)至200~400°C條件下，開(kāi)啟化陰極電弧祀和Mo中頻磁控瓣射祀，保持化祀電流在45~65 A，Mo祀電流在6~10A，沉積CrMoON吸收層； 53. 關(guān)閉Mo中頻磁控瓣射祀，保持通入〇2和N2氣，并控制氣壓在0. 7-1. 3Pa，02比例 在5%~16%，調(diào)節(jié)化祀電流在40~80A，沉積化ON減反層； 54. 關(guān)閉化陰極電弧祀，保持通入〇2和N2氣，并控制氣壓在0. 6~1. 5Pa，02比例在 59?^20%，開(kāi)啟Si中頻磁控瓣射祀，調(diào)節(jié)祀電流在5~12A，沉積SiON減反層，即得所述選擇性 吸收涂層。
[0012] 當(dāng)前國(guó)內(nèi)的高效選擇性吸收涂層大多采用化學(xué)方法，較少采用物理氣相沉積的方 法（PVD)，本發(fā)明采用環(huán)境友好型的PVD技術(shù)即陰極電弧離子鍛復(fù)合中頻磁控瓣射技術(shù)制 備太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，可大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，涂層結(jié)合力好。
[0013] 優(yōu)選地，在步驟S1之前通Ar氣，對(duì)基體進(jìn)行輝光清洗，具體為：將基體在轉(zhuǎn)速3~8 巧m的條件升溫至300~500°C，抽本底真空達(dá)到1. 0~5. 0X10 3Pa;通Ar氣，調(diào)節(jié)真空度至 0.1~0.8Pa，加負(fù)偏電壓-700~-1500V，進(jìn)行輝光瓣射清洗10~40min。
[0014] 優(yōu)選地，步驟S1沉積TiCrMoN紅外反射層的時(shí)間為2~10min,步驟S2沉積CrMoON 吸收層的時(shí)間為2~12min,步驟S3沉積化ON減反層的時(shí)間為2~lOmin，步驟S4沉積SiON 減反層的時(shí)間為3~20min。更優(yōu)選地，步驟S1沉積TiCrMoN紅外反射層的時(shí)間為3min,步 驟S2沉積CrMoON吸收層的時(shí)間為6min，步驟S3沉積化ON減反層的時(shí)間為5~9min，步驟 S4沉積SiON減反層的時(shí)間為3~8min。
[0015] 優(yōu)選地，步驟S4在完成沉積SiON減反層后，降溫至70~100°C取出，常溫冷卻。
[0016] 優(yōu)選地，S1所述基體為不誘鋼基體。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果在于：本發(fā)明針對(duì)國(guó)內(nèi)平板型太陽(yáng)能熱水器選 擇性吸收層W及制備方法存在的弊病，提出一種耐候性高效太陽(yáng)能選擇性吸收涂層及制備 方法，采用環(huán)境友好型適合工業(yè)化生產(chǎn)的陰極電弧離子鍛復(fù)合中頻磁控瓣射技術(shù)制備。本 發(fā)明所述太陽(yáng)能選擇性涂層具有良好的耐候性，在變溫，鹽霧腐蝕，w及紫外照射條件下均 有良好的選擇性吸收特性，吸收系數(shù)大于0. 94,發(fā)射系數(shù)小于0. 20。
【附圖說(shuō)明】
[001引圖1為本發(fā)明太陽(yáng)能選擇性吸收涂層體系的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2為實(shí)施例1太陽(yáng)能選擇性吸收涂層體系的激光Raman圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但實(shí)施例并不對(duì) 本發(fā)明做任何形式的限定。除非特別說(shuō)明，本發(fā)明采用的試劑、方法和設(shè)備為本技術(shù)領(lǐng)域常 規(guī)試劑、方法和設(shè)備。
[00川 實(shí)施例1 本實(shí)施例提供一種耐候性高效太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，該涂層體系具有四層結(jié)構(gòu)： 由內(nèi)到外依次為T(mén)iCrMoN/CrMoON/CrON/SiON，其中，紅外反射層TiCrMoN涂層成分如下： Ti:28. 4at. %，Cr: 19.6at. %，Mo: 5at. %，N: 47at. %;吸收層CrMoON成分如下：Cr: 35. 4at. %，Mo: 15. 3at. %，0: 11. 2at. %，N: 38. 1at. % ;減反層CrON成分如下：Cr: 42 at. %，0: 10at. %，N: 48at. % ;減反層SiON成分如下：Si: 36at. %，0: 18at. %，N: 46 at. %0
[0022] 上述的耐候性高效太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的制備方法，包括如下步驟： 51. 輝光清洗后，降低基體負(fù)偏電壓至100V，關(guān)閉Ar流量閥，開(kāi)成流量閥，調(diào)節(jié)氣壓 在0. 7Pa，開(kāi)啟純Ti化陰極電弧合金祀W及中頻磁控瓣射Mo金屬祀，調(diào)節(jié)Ti化合金祀材 電流為60A，中頻磁控瓣射Mo金屬祀6A，沉積3分鐘TiCrMoN紅外反射層； 52. 開(kāi)啟〇2氣流量閥，調(diào)節(jié)氣壓至1. 5Pa