基于难熔金属硼化物的高温光谱选择性吸收涂层及制备方法技术

本发明专利技术涉及功能薄膜技术领域，具体是指一种可实现太阳能光热能量转换的高温光谱选择性吸收涂层。一种基于难熔金属硼化物的高温光谱选择性吸收涂层，其主要特点在于：在基板上设有红外反射层，在红外反射层上顺序设有光谱主吸收层、光谱辅吸收层和减反射层，其中光谱主吸收层和光谱辅吸收层中均包含难熔金属硼化物作为吸收光谱能量的主要成分。本发明专利技术涂层可采用磁控溅射等真空镀膜技术沉积在不锈钢等基体上，能够稳定工作在500～620℃真空或大气环境中，可应用于太阳能聚光集热高温发电等领域。本发明专利技术的涂层具有吸收率高、热发射比低、高温稳定性和耐久性优越等特性，适合于工业化生产与应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及功能薄膜
，具体是指一种可实现太阳能光热能量转换的高温光谱选择性吸收涂层。
技术介绍
化石能源加速消耗导致人类社会面临着严重的能源危机，同时与其相关的碳排放问题引起的温室效应也使人类面临严重的环境危机。为此，世界各国积极开展各种可再生清洁能源的开发和利用。太阳能资源“取之不尽，用之不竭”，是当前可再生能源开发利用领域内的一个重要组成部分。太阳能光热发电以其能量转换效率较高、发电输出平稳、制造环节能耗低、清洁无污染等优势，近年来受到人们的高度重视。众所周知，太阳能聚光集热温度越高，其发电效率越高。而在高温工况条件下具有优异光学性能以及高温稳定性能的高温光谱选择性吸收涂层是实现高温光热发电的关键物质基础。一般的太阳光谱选择性吸收涂层在高温工况条件下易于因为成份与结构发生演化而导致其光学性能劣化甚至失效。中国专利公告号CN 103317788 A披露了一种光谱选择性吸收涂层及其制备方法。该光谱选择性吸收涂层位于基体上，依次包括第一扩散阻挡层、红外发射层、第二扩散阻挡层、吸收层和减反射层，其特征在于，所述吸收层包括第一亚层和第二亚层，所述第一亚层在所述第二扩散阻挡层的表面上，所述第二亚层在所述第一亚层上，所述第一亚层和第二亚层只包含相同的两种氧化物或者相同的两种氮化物，其中，所述两种氧化物或者所述两种氮化物在所述第一亚层所占的比例不同于在所述第二亚层中所占的比例。而且所述的两种氧化物包括：SiO2和TiO2，SiO2和Cr2O3,TiO2和Al2O3或Cr2O3和Al2O3；所述的两种氮化物为Si3N4和AlN。该种涂层适用于高温(300-500℃)工作温度集热管，涂层吸收率高、发射率低、热稳定性好，制备工艺简便，操作方便，生产周期短，溅射工况稳定。本专利技术专利与上述专利相比，膜系结构更为简捷，更为重要的是本专利技术是以具有本征光谱选择吸收特性和极为优异高温稳定性的难熔金属硼化物(如TaB2、HfB2和ZrB2等)膜为光谱能量吸收主体、通过难熔金属硼化物与Al2O3或SiO2陶瓷介质双相陶瓷协同增效，提高涂层热稳定性能；而双吸收层干涉型膜系结构设计，极大地提高了涂层的光谱选择吸收特性。本专利技术的涂层可以采用磁控溅射等真空镀膜技术沉积在不锈钢等基体上，能够稳定工作在更高温度如500～620℃真空或大气环境中、可应用于太阳能聚光集热高温发电等系统。本专利技术的涂层具有吸收率高、热发射比低、高温稳定性和耐久性优越等特性，适合于工业化生产与应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种基于难熔金属硼化物的高温光谱选择性吸收涂层。具体而言，是指采用磁控溅射等真空镀膜技术在不锈钢基板表面依次沉积红外反射金属层、光谱主吸收层、光谱辅吸收层和表面减反射层，构成具有高吸收率、低发射率、高温稳定、耐久性能优越的高温光谱选择性吸收涂层。本专利技术的又一目的在于提供一种基于难熔金属硼化物的高温光谱选择性吸收涂层的制备方法。本专利技术制备高温光谱选择性吸收涂层的方法具有制备过程质量可控、节能环保无污染等优势，因此极其适合工业化应用。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种基于难熔金属硼化物的高温光谱选择性吸收涂层，在基板上设有红外反射层，在红外反射层上顺序设有光谱主吸收层、光谱辅吸收层和减反射层，其主要特点在于：所述的光谱主吸收层由难熔金属硼化物TaB2或HfB2或ZrB2中的一种或多种混合构成，薄膜厚度为20～100nm，金属硼化物结构呈非晶态或纳米晶态，兼有吸收光谱能量和高温扩散阻挡层作用。所述的光谱主吸收层还包括有由难熔金属硼化物TaB2或HfB2或ZrB2中的一种或多种混合均匀分散在Al2O3或SiO2陶瓷介质中构成复合层，复合层厚度为40～160nm，复合层中难熔金属硼化物在Al2O3或SiO2陶瓷介质中的体积百分比为0.55～0.95，且难熔金属硼化物呈非晶态或纳米晶态，主要起吸收光谱能量作用。所述的基于难熔金属硼化物的高温光谱选择性吸收涂层，所述的红外反射层是含量为99.9～99.999％的W或含量为99.9～99.999％的Mo高熔点金属薄膜，薄膜厚度为100～800nm。所述的基于难熔金属硼化物的高温光谱选择性吸收涂层，所述的光谱辅吸收层由难熔金属硼化物TaB2或HfB2或ZrB2中的一种或多种混合均匀分散在Al2O3或SiO2陶瓷介质中构成复合层，复合层厚度为40～160nm，复合层中难熔金属硼化物在Al2O3或SiO2陶瓷介质中的体积百分比为0.15～0.60，且难熔金属硼化物呈非晶态或纳米晶态，主要起吸收光谱能量作用。所述的基于难熔金属硼化物的高温光谱选择性吸收涂层，所述的减反射层为Al2O3或SiO2陶瓷介质膜,膜层厚度为50～120nm。所述的基于难熔金属硼化物的高温光谱选择性吸收涂层，所述的光谱主吸收层、光谱辅吸收层及减反射层中的Al2O3或SiO2陶瓷介质结构均呈非晶态。一种基于难熔金属硼化物的高温光谱选择性吸收涂层制备方法，其主要特点在于步骤为：涂层采用磁控溅射镀膜沉积在不锈钢表面：(1).基片准备：选取厚度为0.2～8mm，尺寸40～120mm×40～120mm不锈钢片作基板，并做以下预处理：1)浓度5～10％、温度60～80℃碱液清洗5～10min，去除油迹；2)4～8％稀盐酸清洗3～8min，去除表面氧化薄层；3)清水漂洗；4)无水乙醇超声波清洗5～10min，吹干待用；(2).溅射靶材准备：1)难熔金属硼化物靶材：将纯度≥99.5％以上的TaB2、HfB2以及ZrB2难熔金属硼化物微粉按照配比A：B：C称重，0≤A≤1、0≤B≤1、0≤C≤1，且A+B+C＝1；当A＝1或B＝1或C＝1，表示构成难熔金属硼化物靶材的成份仅为一元金属硼化物，如A：B：C＝1：0：0表示此时金属硼化物靶材仅由TaB2构成；当仅有A＝0或B＝0或C＝0，表示构成难熔金属硼化物靶材的成份为二元金属硼化物，如A：B：C＝0.4：0.6：0表示金属硼化物靶材由TaB2和HfB2按0.4：0.6构成；当A、B、C全不为0时，表示金属硼化物靶材由TaB2、HfB2以及ZrB2等三元难熔金属硼化物按对应比例构成；将按设定配比称重的难熔金属硼化物微粉置于混料罐中充分搅拌，混合均匀，然后采用热压法烧结制备成直径50～150mm×厚度4～10mm靶材，烧结温度1800～2100℃，加压20～40MPa，制成难熔金属硼化物靶材；2)红外反射层靶材：靶材材质：W或Mo；纯度：99.9～99.999％，尺寸：直径50～150mm×厚度4～10mm；3)陶瓷介质靶材：靶材材质：Al2O3或SiO2；纯度：99.9～99.999％；尺寸：直径50～150mm×厚度4～10mm；(3).镀膜：1)将经步骤(1)处理后的不锈钢片固定在磁控溅射镀膜机的基片架上作为阳极。基片架可绕中心轴连续旋转，也可固定在圆周上正对阴极靶的任一确定位置；将步骤(2)所准备的W或Mo金属靶材安装于磁控溅射镀膜机1#阴极靶上，该靶可施加直流磁控溅射电源；将步骤(2)准备的难熔金属硼化物靶材安装于磁控溅射镀膜机2#阴极靶上，该靶可施加射频磁控溅射电源或直流磁控溅射电源；将步骤(2)所准备的Al2O3或SiO2陶瓷靶材安装于磁控溅射镀膜机3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于难熔金属硼化物的高温光谱选择性吸收涂层，在基板上设有红外反射层，在红外反射层上顺序设有光谱主吸收层、光谱辅吸收层和减反射层，其特征在于所述的光谱主吸收层由难熔金属硼化物TaB2或HfB2或ZrB2中的一种或多种混合构成，薄膜厚度为20～100nm，金属硼化物结构呈非晶态或纳米晶态；所述的光谱主吸收层还包括有由难熔金属硼化物TaB2或HfB2或ZrB2中的一种或多种混合均匀分散在Al2O3或SiO2陶瓷介质中构成复合层，复合层厚度为40～160nm，复合层中难熔金属硼化物在Al2O3或SiO2陶瓷介质中的体积百分比为0.55～0.95，且难熔金属硼化物呈非晶态或纳米晶态。

【技术特征摘要】
1.一种基于难熔金属硼化物的高温光谱选择性吸收涂层，在基板上设有红外反射层，在红外反射层上顺序设有光谱主吸收层、光谱辅吸收层和减反射层，其特征在于所述的光谱主吸收层由难熔金属硼化物TaB2或HfB2或ZrB2中的一种或多种混合构成，薄膜厚度为20～100nm，金属硼化物结构呈非晶态或纳米晶态；所述的光谱主吸收层还包括有由难熔金属硼化物TaB2或HfB2或ZrB2中的一种或多种混合均匀分散在Al2O3或SiO2陶瓷介质中构成复合层，复合层厚度为40～160nm，复合层中难熔金属硼化物在Al2O3或SiO2陶瓷介质中的体积百分比为0.55～0.95，且难熔金属硼化物呈非晶态或纳米晶态。2.如权利要求1所述的基于难熔金属硼化物的高温光谱选择性吸收涂层，其特征在于所述的红外反射层是含量为99.9～99.999％的W或含量为99.9～99.999％的Mo高熔点金属薄膜，薄膜厚度为100～800nm。3.如权利要求1所述的基于难熔金属硼化物的高温光谱选择性吸收涂层，其特征在于所述的光谱辅吸收层由难熔金属硼化物TaB2或HfB2或ZrB2中的一种或多种混合均匀分散在Al2O3或SiO2陶瓷介质中构成复合层，复合层厚度为40～160nm，复合层中难熔金属硼化物在Al2O3或SiO2陶瓷介质中的体积百分比为0.15～0.60，且难熔金属硼化物呈非晶态或纳米晶态。4.如权利要求1所述的基于难熔金属硼化物的高温光谱选择性吸收涂层，其特征在于所述的减反射层为Al2O3或SiO2陶瓷介质膜,膜层厚度为50～120nm。5.如权利要求1所述的基于难熔金属硼化物的高温光谱选择性吸收涂层，其特征在于所述的光谱主吸收层、光谱辅吸收层及减反射层中的Al2O3或SiO2陶瓷介质结构均呈非晶态。6.一种基于难熔金属硼化物的高温光谱选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于步骤为：涂层采用磁控溅射镀膜沉积在不锈钢表面：(1).基片准备：选取厚度为0.2～8mm，尺寸40～120mm×40～120mm不锈钢片作基板，并做以下预处理：1)浓度为5～10％、温度60～80℃碱液清洗5～10min，去除油迹；2)4～8％稀盐酸清洗3～8min，去除表面氧化薄层；3)清水漂洗；4)无水乙醇超声波清洗5～10min，吹干待用；(2).溅射靶材准备：1)难熔金属硼化物靶材：将纯度≥99.5％以上的TaB2、HfB2以及ZrB2难熔金属硼化物微粉按照配比A：B：C称重，0≤A≤1、0≤B≤1、0≤C≤1，且A+B+C＝1；当A＝1或B＝1或C＝1，表示构成难熔金属硼化物靶材的成份仅为一元金属硼化物；当仅有A＝0或B＝0或C＝0，表示构成难熔金属硼化物靶材的成份为二元金属硼化物；当A、B、C全不为0时，表示金属硼化物靶材由TaB2、HfB2以及ZrB2三元难熔金属硼化物按对应比例构成；将按设定配比称重的难熔金属硼化物微粉置于混料罐中充分搅拌，混合均匀，然后采用热压法烧结制备成直径50～150mm×厚度4～10mm靶材，烧结温度1800～2100℃，加压20～40MPa，制成难熔金属硼化物靶材；2...

【专利技术属性】
技术研发人员：田广科，范多进，夏荣斌，王成龙，任杰，
申请(专利权)人：兰州交通大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62