CN107270564B - 一种太阳光热吸收涂层 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳光热吸收涂层，其涂层结构为从基体向外依次包括红外反射层、吸收层和减反射层，其中吸收层和减反射层分别为单层薄膜或双亚层薄膜。其中，红外反射层为Ni、Mo、Cu、Ag、W、Pt、Cr和Al薄膜中的一种构成，吸收层为ZrAlN、HfAlN、ZrAlON、HfAlON、ZrAlSiN、HfAlSiN、ZrAlSiON和HfAlSiON薄膜中的一种构成，或者是由其中的任意两种构成的双亚层结构的薄膜，其中第一吸收亚层中的Zr或Hf含量高于第二吸收亚层。减反射层为AlN、Si3N4、AlSiN、AlON、SiON、AlSiON、Al2O3、SiO2和AlSiO薄膜中的一种构成，或者是由其中的任意两种构成的双亚层结构的薄膜，其中第二减反射亚层的折射率高于第一减反射亚层的折射率。该太阳光热吸收涂层具有吸收率高，发射率低，抗氧化性能和耐高温性能优异的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型太阳光热吸收涂层，可用于真空集热管和平板集热器，属于太阳能光热利用材料技术领域。
背景技术
槽式太阳能热发电系统中，集热管是其核心部件，太阳能能选择性吸收涂层是集热管的核心部分，能够提高集热管的光热转换效率。作为太阳能选择性吸收涂层需要具有高的吸收率、低的发射率和高的热稳定性，对于高温应用涂层，涂层发射率和热稳定性更加重要，因为物质的热辐射与温度T的4次方成正比，而涂层的热稳定性也决定着涂层服役温度和寿命。
目前，高温应用的涂层体系主要为金属-电介质叠堆涂层和金属陶瓷涂层，其中金属陶瓷涂层具有吸收率高、发射率低、工艺稳定等优势而获得广泛的应用。金属陶瓷是在电介质基体中嵌入微小的金属颗粒形成复合材料。Qi-Chu Zhang和David R.Mills提出了4层结构金属陶瓷光热转换涂层模型，涂层由底层红外反射层、高金属含量吸收层、低金属含量吸收层和表层减反射层构成。其中中间的高金属含量吸收层和低金属含量吸收层的光学常数可以通过调整的薄膜中金属或类金属与电介质的相对含量而改变，同时，Maxwell-Garnett理论、Bruggeman理论和Shen Ping理论等效媒质理论为金属陶瓷膜的光学常数计算提供了理论依据，这些都有利于涂层优化，制备出性能优异的涂层。
多种金属和电介质组合而成的金属陶瓷型光热转换涂层被开发出来。其中金属包括W、Mo、Cr、Al、Au、Ag、Cr、Fe、Co、Ni、V、Nb、Ti和Cu等，电介质包括Al2O3、SiO2、MgO、TiO2、NiO、Cr2O3、CaF2、ZnO、AlN、Si3N4、AlSiN、AlON、CrON和SiON等。金属和电介质构成的金属陶瓷型涂层在服役过程中存在金属的氧化和扩散的问题。之后人们发现过渡金属氮化物具有类金属特性，其独特的光学性能和优异的热稳定性引起了人们的关注。TiN、NbN、CrN等过渡金属氮化物作为吸收组元已经应用到金属陶瓷光热转换涂层中。其中与Ti同族的Zr和Hf的氮化物具有更优异的热稳定性和抗氧化性能。
发明内容
针对现有金属陶瓷型太阳能光热转换涂层在服役过程中存在的金属的氧化和扩散问题，本发明的目的在于提供一种新型太阳光热吸收涂层，该涂层吸收率高，发射率低，抗氧化性能和耐高温性能优异。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种太阳光热吸收涂层，其涂层结构为从基体向外依次包括红外反射层、吸收层和减反射层，其中吸收层和减反射层分别为单层薄膜或双亚层薄膜。
其中，基体材料为抛光的不锈钢片、抛光的铜片、抛光的铝片、玻璃和单面抛光的硅片中的一种。各涂层分别采用物理气相沉积的方法制得。
所述红外反射层为Ni、Mo、Cu、Ag、W、Pt、Cr和Al中的一种构成的薄膜，厚度为50-300纳米。
所述吸收层为ZrAlN、HfAlN、ZrAlON、HfAlON、ZrAlSiN、HfAlSiN、ZrAlSiON和HfAlSiON薄膜中的一种构成，或者是由其中的任意两种薄膜构成的双亚层结构。当吸收层为由第一吸收层与第二吸收层构成的双亚层结构时，其中第一吸收层中Zr或Hf含量高于第二吸收层中Zr或Hf含量，以保证第二吸收层在可见光和近红外的折射率高于第一吸收层，形成干涉和减反射效应，提高涂层的吸收率，利于涂层的优化，得到光热转换性能优异的涂层。
其中，ZrAlN、HfAlN、ZrAlON和HfAlON薄膜采用Zr(Hf)与Al双靶，在氩气+氮气(或氩气+氧气+氮气)气氛下共溅射得到，也可以采用ZrAl(HfAl)合金靶，在氩气+氮气(或氩气+氧气+氮气)气氛下沉积得到，同样可以采用Al为基体，Zr(Hf)为镶嵌体的镶嵌靶，在氩气+氮气(或氩气+氧气+氮气)气氛下沉积得到。ZrAlSiN、HfAlSiN、ZrAlSiON和HfAlSiON薄膜采用Zr(Hf)与AlSi双靶，在氩气+氮气(或氩气+氧气+氮气)气氛下共溅射得到，也可以采用ZrAlSi(HfAlSi)合金靶，在氩气+氮气(或氩气+氧气+氮气)气氛下沉积得到，同样可以采用AlSi为基体，Zr(Hf)为镶嵌体的镶嵌靶，在氩气+氮气(或氩气+氧气+氮气)气氛下沉积得到。所述吸收层的总厚度为10-200纳米。
所述减反射层为AlN、Si3N4、AlSiN、AlON、SiON、AlSiON、Al2O3、SiO2和AlSiO薄膜中的一种构成，或者是由其中的任意两种薄膜构成的双亚层结构。所述双亚层结构的减反射薄膜中第二减反射亚层的折射率小于第一减反射亚层的折射率，减反射双亚层结构能够达到更好的减反射效果，同时第二减反射亚层(表层减反射层)的折射率小，能够减少光的表面反射损失。所述减反射层的总厚度10-300纳米。
本发明的有益效果在于：
本发明的新型太阳光热吸收涂层采用热稳定性和抗氧化性能优异的ZrN和HfN作为吸收组元，ZrAlN、HfAlN、ZrAlON、HfAlON、ZrAlSiN、HfAlSiN、ZrAlSiON和HfAlSiON作为吸收层的金属陶瓷涂层。该太阳光热吸收涂层在太阳光谱范围内(0.3～2.5微米)，吸收率α大于0.96，82℃和400℃的发射率ε分别不大于0.05和0.10，具有吸收率高，发射率低，抗氧化性能和耐高温性能优异的特点。本发明的太阳光热吸收涂层适用于槽式太阳能热发电真空集热管和平板集热器。
附图说明
图1为本发明的一种太阳光热吸收涂层的结构示意图。
图2为本发明的另一种太阳光热吸收涂层的结构示意图。
图3为实施例1制备的涂层反射率曲线。
图4为实施例2制备的涂层反射率曲线。
图5为实施例3制备的涂层反射率曲线。
具体实施方式
以下通结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不用于限制本发明。
图1为实现本发明的一种太阳光热吸收涂层的结构示意图，如图1所示，该涂层包括纯金属红外反射层1、吸收层2、减反射层3。其中，红外反射层为Ni、Mo、Cu、Ag、W、Pt、Cr和Al中的一种；吸收层和减反射层均为单层薄膜，吸收层为ZrAlN、HfAlN、ZrAlON、HfAlON、ZrAlSiN、HfAlSiN、ZrAlSiON和HfAlSiON中的一种，减反射层为AlN、Si3N4、AlSiN、AlON、SiON、AlSiON、Al2O3、SiO2和AlSiO中的一种。
图2为实现本发明的另一种太阳光热吸收涂层的结构示意图，如图2所示，该涂层包括纯金属红外反射层1、吸收层2、减反射层3；涂层中吸收层2和减反射层3分别为双亚层结构薄膜。其中，红外反射层为Ni、Mo、Cu、Ag、W、Pt、Cr和Al中的一种；第一吸收层2-1为ZrAlN、HfAlN、ZrAlON、HfAlON、ZrAlSiN、HfAlSiN、ZrAlSiON和HfAlSiON中的一种；第二吸收层2-2为ZrAlN、HfAlN、ZrAlON、HfAlON、ZrAlSiN、HfAlSiN、ZrAlSiON和HfAlSiON中的一种；第一减反射亚层3-1为AlN、Si3N4、AlSiN、AlON、SiON、AlSiON、Al2O3、SiO2和AlSiO中的一种，第二减反射亚层3-2为AlN、Si3N4、AlSiN、AlON、SiON、AlSiON、Al2O3、SiO2和AlSiO中的一种。
实施例1
以Cu/Zr0.5Al0.5N/Zr0.3Al0.7N/AlON涂层为例，镀膜机中通入氩气溅射铜靶沉积红外反射层，厚度100nm。通氩气和氮气，分别采用锆靶和铝靶反应溅射沉积第一吸收亚层Zr0.5Al0.5N，厚度为80nm。在氩气和氮气的气氛中，分别采用锆靶和铝靶反应溅射沉积第二吸收亚层Zr0.3Al0.7N，厚度25nm。通氩气、氮气和氧气，溅射铝靶反应沉积AlON，厚度为40nm。图3为制备涂层的反射率曲线，其反射率在500纳米到1400纳米的可见光和近红外范围内的反射率小于3％，在600纳米到1300纳米小于1％，涂层具有高的吸收率，同时，在1500纳米到2500纳米范围内，反射率从3％增加到65％，在2500纳米处反射高于65％，从低反射区到高反射区的斜率较大，表明涂层在高温下具有低的发射率。涂层具有优异的光热转换性能。所制备的涂层吸收率α≥0.95，发射率为ε≤0.05(82℃)，ε≤0.09(400℃)。
实施例2
以Ni/Hf0.4Al0.6ON/SiON涂层为例，在镀膜机中通入氩气，氩离子轰击镍靶沉积金属红外反射层，厚度为100nm。通氩气、氮气和氧气，采用铪硅合金靶反应溅射沉积吸收层Hf0.4Al0.6ON，厚度为50nm。在氩气+氮气+氧气的气氛中，溅射Si靶反应沉积SiON，厚度为30nm。图4为制备涂层的反射率曲线，其反射率在450纳米到1300纳米的可见光和近红外范围内的反射率小于3％，在600纳米到1300纳米小于1％，涂层具有高的吸收率，同时，在1300纳米到2500纳米范围内，反射率从3％增加到60％，在2500纳米处反射高于60％，从低反射区到高反射区的斜率较大，表明涂层在高温下具有低的发射率。所制备的涂层的吸收率α≥0.95，发射率为ε≤0.05(82℃)，ε≤0.09(400℃)。
实施例3
以Mo/Hf0.5Al05N/HfAlSiON/AlON/Al2O3涂层为例，在镀膜机中通入氩气，氩离子轰击钼靶沉积金属红外反射层，厚度为80nm。通氩气和氮气，采用铪靶和铝靶反应溅射沉积第一吸收层Hf0.5Al0.5N，厚度为70nm。在氩气+氮气+氧气的气氛中，采用铪靶和铝硅合金靶反应溅射沉积HfAlSiON，厚度为20nm。在氩气+氮气+氧气的气氛中，采用铝靶反应溅射沉积第一减反射亚层(见图2中3-1)AlON，厚度为40nm。通氩气和氧气，溅射铝靶反应沉积第二减反射亚层(见图2中3-2)Al2O3，厚度为30nm。图4为制备涂层的反射率曲线，其反射率在450纳米到1300纳米的可见光和近红外范围内的反射率小于3.5％，涂层具有高的吸收率，同时，在1300纳米到2500纳米范围内，反射率从3％增加到55％，在2500纳米处反射高于55％，从低反射区到高反射区的斜率较大，表明涂层在高温下具有低的发射率。所制备的涂层的吸收率α≥0.95，发射率为ε≤0.05(82℃)，ε≤0.10(400℃)。
Claims (8)
1.一种太阳光热吸收涂层，其特征在于：其涂层结构为从基体向外依次包括红外反射层、吸收层和减反射层，其中吸收层和减反射层分别为单层薄膜或双亚层薄膜；所述吸收层为HfAlN、HfAlON、ZrAlSiN、HfAlSiN、ZrAlSiON和HfAlSiON薄膜中的一种构成的单层薄膜，或者任意两种构成的双亚层结构。
2.如权利要求1所述的太阳光热吸收涂层，其特征在于：所述红外反射层为Ni、Mo、Cu、Ag、W、Pt、Cr和Al中的一种构成的薄膜，厚度为50-300纳米。
3.如权利要求1所述的太阳光热吸收涂层，其特征在于：双吸收亚层结构中，第一吸收亚层中的Zr或Hf的含量高于第二吸收亚层中的Zr或Hf含量。
4.如权利要求1所述的太阳光热吸收涂层，其特征在于：所述吸收层的总厚度为10-200纳米。
5.如权利要求1所述的太阳光热吸收涂层，其特征在于：所述减反射层为AlN、Si3N4、AlSiN、AlON、SiON、AlSiON、Al2O3、SiO2和AlSiO薄膜中的一种构成。
6.如权利要求1所述的太阳光热吸收涂层，其特征在于：所述减反射层为AlN、Si3N4、AlSiN、AlON、SiON、AlSiON、Al2O3、SiO2和AlSiO薄膜中的两种构成的双亚层结构。
7.如权利要求6所述的太阳光热吸收涂层，其特征在于：所述双亚层结构的减反射薄膜中第二减反射亚层的折射率小于第一减反射亚层的折射率。
8.如权利要求5或6所述的太阳光热吸收涂层，其特征在于：所述减反射层的总厚度为10-300纳米。
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