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CN1018021B - 太阳能选择性吸收膜及制备方法 - Google Patents

太阳能选择性吸收膜及制备方法

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CN1018021B
CN1018021B CN91103789A CN91103789A CN1018021B CN 1018021 B CN1018021 B CN 1018021B CN 91103789 A CN91103789 A CN 91103789A CN 91103789 A CN91103789 A CN 91103789A CN 1018021 B CN1018021 B CN 1018021B
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CN
China
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nitrogen
metal
oxygen
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absorbing film
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CN91103789A
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CN1056159A (zh
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郭信章
尹万里
于凤勤
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BEIJING SOLAR ENERGY RESEARCH INST
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BEIJING SOLAR ENERGY RESEARCH INST
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S70/00—Details of absorbing elements
    • F24S70/20—Details of absorbing elements characterised by absorbing coatings; characterised by surface treatment for increasing absorption
    • F24S70/225—Details of absorbing elements characterised by absorbing coatings; characterised by surface treatment for increasing absorption for spectrally selective absorption
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Abstract

本发明涉及的是一种应用于太阳能平板集热器及真空管集热器金属板芯的氮氧化铝太阳能选择性吸收膜层。该膜层采用磁控溅射铝靶在氩气和反应气体氮、氧的气氛中溅射沉积在光亮处理过的金属吸热板上，以金属吸热板作为红外反射层。在不断改变氮氧流量和负偏压中溅射沉积AlNxOy的金属陶瓷型渐变吸收膜层。由于在制备时采用对金属的轰击清洗及负偏压等措施，使膜层与基体结合良好，并在膜层表面沉积一层氧化铝薄膜，具有减反射保护作用，从而提高了抗磨、抗腐蚀性能。其吸收率α＝0.90-0.94，红外发射率ε＝0.07-0.12。

Description

本发明涉及的是一种利用真空物理气相反应沉积磁控溅射离子镀膜技术制备太阳能平板集热器吸热板及真空管集热器吸收板芯的太阳能选择性吸收膜。
太阳能集热器的关键元件是由太阳能选择性吸收膜组成的吸热板，它是由选择性吸收膜及通工质（水）的管子组成。集热器的效率主要由吸收膜的性能决定，必须具备在太阳能光谱范围内有高的吸收率，在红外光谱范围内有低的红外发射率。U·s·Pat·No.4，059，094提及的是一种在管子外层涂黑漆的聚光型集热器吸收膜。U·s·Pat·No·3，952，724提及的是一种在铜管表面涂一层黑铬。U·s·Pat·No·4，339，484提及的是一种先在玻璃管上溅射镀铜。然后再溅射一层金属（铁、镍和铬）碳化物的选择性吸收膜。有的玻璃管真空集热器是采用双靶溅射，先溅射在玻璃管外表面一层铜，再溅射一层金属碳化物制备吸收膜层。上述各种吸收膜层，有些是太阳能吸收率高，但红外发射率也较大;有些性能较好，但需双靶溅射。更重要的是这些吸收膜只能在真空状态下使用，不能适应一般的平板集热器环境使用。
本发明的目的就是研究出一种成本较低，既适用于真空管集热器的吸收膜，又能在平板集热器环境中使用的具有较高吸收率和较低的红外发射率的太阳能选择性吸收膜及其制备技术。
本发明所述的太阳能选择性吸收膜层是采用在真空炉中一根铝靶通过反应溅射沉积到光亮处理过的金属表面的AlNxOy选择性吸收膜层（其中x是氮原子与铝原子的比值，y是氧原子与铝原子 的比值）。其金属为光亮处理过的铝、铜及它们的合金等红外发射率低的材料。将光亮处理过的金属板如铜、铝清洗干净，装入具有轰击清洗，负偏压，加热烘烤及工件架可自转，公转等特性的磁控溅射镀膜机中，抽真空，炉内真空到0.1×10-2-1×10-2pa左右，加热基体到需要的100℃-200℃温度后，给炉内通入氩气，在氩气气氛中接直流负电压600-1200V进行轰击清洗，然后加负偏压，阴极铝靶接通负直流电起靶溅射，反应气体氮气、氧气由微调阀门控制通入炉内到所需流量值，进行反应溅射沉积成膜。通入的氮气是20-100cm3/s，通入的氧气是10-30cm3/s。通入的氩气是30-100cm3/s。加负偏压值为100V-300V。在反应沉积过程中，氮气及氧气的流量随着镀膜时间逐渐增加。这样在金属板表面生成一层结合力强的氮氧化铝化合物（AlNxOy）的渐变膜，同时逐渐改变负偏压由大到小使膜层具有很好的结合力，又具有定向结晶使吸收率提高。整个吸收膜第一层为金属基体构成的红外反射层。第二层为在负偏压作用下沉积铝原子和氮、氧原子组成的渐变金属陶瓷型吸收膜层，其膜厚为0.1×10-6-0.5×10-6m，第三层是膜厚为0.01×10-6-0.1×10-6m的氧化铝膜。整个金属基体表面沉积的吸收膜层厚度为0.2×10-6-0.6×10-6m。
在本工艺中生成的选择性吸收膜层是以金属基体（铝或铜）为红外反射层，在基体上沉积氮氧化合物陶瓷型金属介质膜，其膜层的折射率随着膜层的成分而变化。到膜层的表面，由于氧气的通入增加，而生成一层氧化铝薄膜。起到减反射作用，增加了抗磨性能 和耐腐蚀性能。膜与金属基体的结合力良好。此膜吸收率α＝0.9-0.94，红外发射率ε＝0.07-0.12。本膜既适应于在真空管集热器中做板芯的吸收膜层，也适应于在密封性能较好的平板集热器中做吸热板的吸收膜层。
实施例1：
将经过清洗和光亮处理过的铜片基体装入一台具有轰击清洗。负偏压及烘烤加热的φ300mm磁控溅射镀膜机中。抽真空到0.1×10-2pa后，基体加热到150℃，通入30cm3/s氩气，加轰击直流电压-800V约10分钟，给基体接负偏压300V，溅射铝靶通电，通入氮气20cm3/s，氧气10cm3/s，根据需要调节气体的流量，从小到大逐渐送入，同时逐渐减小负偏压。溅射沉积膜层厚度0.2×10-6m左右停机。
该膜层制备的太阳能选择性吸收膜的太阳能吸收率α＝0.90，红外发射率ε＝0.07。
实施例2：
将经过清洗和光亮处理的铜片装入一台具有轰击清洗。负偏压及烘烤加热的φ1000mm磁控溅射炉中，抽真空到1×10-2pa后，给基体加热到200℃，通入氩气100cm3/s，加轰击直流电压-1000V约15分钟。对基体加负偏压200V。溅射铝靶通电，通入氮气80cm3/s，氧气20cm3/s。根据需要调节气体流量，从小到大逐渐送入，同时逐渐减小负偏压。溅射沉 积膜层厚度达0.3×10-6-0.4×10-6m左右时，停止通氮气，继续通入氧气，再溅射生成膜厚为0.01×10-6m左右停止。
该膜太阳能吸收率α＝0.92，红外发射率ε＝0.09。
实施例3：
将经过清洗和光亮处理过的铝片基体装入实施例2所用的磁控溅射镀膜机中，抽真空到0.5×10-2pa后，加热基体到100℃，加轰击电压-600V约20分钟。基体加负偏压100V，通入80cm3/s氩气，氮气100cm3/s，氧气30cm3/s，溅射铝靶通电。根据需要调节气体流量，由小到大逐渐送入，同时逐渐减小负偏压，等膜层镀到0.5×10-6m左右时，停止氮气通入，在继续通入氧气中，再溅射生成氧化铝薄膜约厚0.05×10-6m左右停机。
该太阳能选择性吸收膜层的太阳能吸收率α＝0.94，红外发射率ε＝0.12。

Claims (8)

1、一种太阳能平板集热器及热管式真空管集热器金属板芯的太阳能选择性吸收膜，其特征在于在光亮处理过的金属吸热板芯上沉积一层铝-氮-氧金属陶瓷型渐变膜，厚度为0.1×10-6-0.5×10-6m，再在其上沉积一层氧化铝减反射保护膜。
2、根据权利要求1所述的太阳能选择性吸收膜，其特征在于金属吸热板芯为铝、铜及它们的合金。
3、一种太阳能平板集热器及热管式真空管集热器金属板芯的太阳能选择性吸收膜的制备方法，其特征在于将经过清洗和光亮处理过的金属作为基体放入具有轰击清洗，负偏压及烘烤加热装置的磁控溅射镀膜机中，抽真空，在氩气中将基体加热，进行轰击清洗;然后给基体加负偏压，同时给阴极铝靶通电溅射，逐渐通入反应气体氮和氧，随着镀膜时间的增加，逐渐减小负偏压加大氧气和氮气的流量;当基体上铝-氮-氧金属陶瓷型渐变膜沉积到需要厚度时，停止供氮，继续通入氧气;当在铝-氮-氧金属陶瓷型渐变膜上沉积一层氧化铝减反射保护膜后停机。
4、根据权利要求3所述的太阳能选择性吸收膜的制备方法，其特征在于反应气体氧气为10-30cm3/s，氮气为20-100cm3/s。
5、根据权利要求3所述的太阳能选择性吸收膜的制备方法，其特征在于金属基体加热温度为100-200℃。
6、根据权利要求3所述的太阳能选择性吸收膜的制备方法，其特征在于氩气通入量为30-100cm3/s。
7、根据权利要求3所述的太阳能选择性吸收膜的制备方法，其特征在于磁控溅射镀膜机中抽真空为0.1×10-2-1×10-2pa。
8、根据权利要求3所述的太阳能选择性吸收膜的制备方法，其特征在于负偏压为300-100V。
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