高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，所述高温太阳能选择性吸收涂层以金属材料为基材，在金属基材的表面，由内至外依次包括：金属反射膜层、扩散阻挡膜层、吸收膜层和增透膜层；其中，所述吸收膜层包括金属含量由内至外呈梯度降低的四个吸收亚层组成。所述的吸收膜层包括金属含量渐变的四个吸收亚层，其金属含量呈梯度变化，使其在高温工作时的扩散现象很轻微，提高了膜层在高温时的稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及太阳能利用
，尤其涉及一种低成本、高稳定性的高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。
技术介绍
太阳光谱选择性吸收涂层是在可见-近红外波段具有高吸收率，在红外波段具有低发射率的功能薄膜，是用于太阳能集热器，提高光热转换效率的关键技术。随着太阳能热利用需求和技术的不断发展，太阳能集热管的应用范围从低温应用（≤100℃）向中温应用(100℃-350℃)和高温应用(350℃-500℃)发展，以不断满足海水淡化、太阳能发电等中高温应用领域的使用要求。对于集热管使用的选择性吸收涂层也要具备高温热稳定性，适应高温环境的应用条件。高温太阳能选择性吸收涂层主要由四部分组成：最靠近基材的是红外高反射金属层，向外依次为扩散阻挡层、吸收层和减反层，金属层选用良导电性金属材料如铝、铜、银、镍、钼、钨等金属；吸收层由若干层金属-介质复合材料薄膜组成，纳米级金属粒子均布在介质材料中，其光学特性可以控制在金属和介质的中间状态，靠近金属底层的吸收亚层具有高的折射率和消光系数，随着各吸收亚层中金属含量的降低，其折射率和消光系数也逐渐减小；减反层采用低折射率和低消光系数材料，尽可能减小对光的反射，获得优良的选择性吸收性能。在人们研究高性能、高稳定、长寿命的高温太阳能选择性吸收膜系的不断实践中，已经采用了多种不同类型的膜系结构，如SS-AlN/SS（不锈钢氮化铝）、W-Al2O3、Mo-Al2O3、W-SiO2等镀层，SS+ALN吸收涂层的结构是由两个金属陶瓷介质吸收亚层组成，由于两个金属陶瓷介质吸收亚层的金属含量差别大，涂层中的金属成分容易在高温中扩散，造成吸收亚层组分变化，涂层光学性能发生衰变，造成膜层的老化和脱落，导致膜层失效，限制了这种涂层在高温中的应用；Mo-Al2O3/Cu体系的特点是Mo-Al2O3吸收亚层具有成分渐变的复杂多个亚层结构，工艺复杂不好控制；Al2O3层采用射频溅射方法,射频溅射设备复杂，沉积速率低；W-Al2O3、W-SiO2采用了比较贵重的钨靶，以及平面靶溅射硅靶，平面硅靶的靶材料利用率低，大大提高了膜层的成本，阻碍了太阳能高温应用的进一步发展。因此对于太阳能的高温利用，需要一种低成本、热稳定性好，而且工艺简便的选择性吸收涂层及制备技术。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供一种高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，高温太阳能选择性吸收涂层的成本低、稳定性好，且制备工艺简单。本专利技术是通过如下技术方案实现的：提供一种高温太阳能选择性吸收涂层，以金属材料为基材，在金属基材的表面，由内至外依次包括：金属反射膜层、扩散阻挡膜层、吸收膜层和增透膜层；其中，所述吸收膜层包括金属含量由内至外呈梯度降低的四个吸收亚层。所述金属基材可以是不锈钢管、碳钢管等具有良好导热性能的金属材料。所述的吸收膜层包括金属含量渐变的四个吸收亚层，其金属含量呈梯度变化，使其在高温工作时的扩散现象很轻微，提高了膜层在高温时的稳定性。优选的，所述吸收膜层为氮化镍铝吸收膜层，所述吸收膜层包括金属含量由内至外呈梯度降低的四个氮化镍铝吸收亚层。本专利技术将镍铝元素引入金属反射膜层，并通过真空反应溅射，使之生成具有良好吸收能力的NiAlN选择性吸收膜层。利用Ni优异的抗氧化性能，使其作为金属介质中的介质组份，提高了膜层的耐高温性能。优选的，所述增透膜层为SiO2-Al2O3双增透膜。本专利技术在最外层的SiO2增透膜层中引入少量铝（10-20at％），通过Si-Al合金靶的磁控反应溅射，生成SiO2-Al2O3双减反射膜层，进一步提高了膜层的吸收性能，同时增强本专利技术膜系表面的硬度和耐磨性。优选的，所述金属反射膜层的厚度为80-100nm，所述扩散阻挡膜层的厚度为15-25nm，所述吸收膜层中由内至外的四个吸收亚层的厚度分别为35-40nm，30-35nm，25-30nm，20-25nm，所述增透膜层的厚度为80-100nm。本专利技术还提供一种高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，用于制备上述的高温太阳能选择性吸收涂层，所述方法应用于中频和脉冲直流真空磁控溅射镀膜机设备，所述方法按照如下步骤进行：S101：基体前处理：将金属基材（1）进行抛光后用去离子水冲洗，然后烘干钝化，使金属基材的表面形成钝化层；S102：预热：将步骤S101中处理过的金属基材置于镀膜机的真空室内，使所述金属基材自转的同时能够绕真空室的中心旋转，然后将真空室内的温度升高至350-400℃，保温30-60min；S103：金属反射膜层的镀制：采用直流脉冲电源溅射镍铝靶，在金属基材表面镀制金属反射膜层，直至所述膜层达到所需的设计厚度；其镀膜工艺参数是：本底真空度在4.0*10-3Pa以下，通入真空镀膜室的氩气流量在160-200sccm范围内，工艺压强为2.0*10-1-2.5*10-1Pa；直流脉冲电源的溅射电压在400-450V范围内，电流在40-45A范围内，镀膜时间为8-10分钟；镀膜时，真空室内通入氩气，镍铝靶接通直流脉冲电源，而后氩气电离，在电磁场的作用下，氩离子轰击靶材，靶材分子沉积在金属基材表面形成镀膜。S104：扩散阻挡膜层的镀制：采用孪生铝靶中频反应溅射方式，实施反应溅射镀膜，直至所述膜层达到所需的设计厚度；其镀膜工艺参数是：通入真空镀膜室的氩气流量在100-120sccm范围内，反应气体氮气的流量在55-65sccm范围内，其工艺压强为3.0*10-1-3.5*10-1Pa；中频电源溅射电压在420-440V范围内，频率40-60KHZ范围内，电流在40-45A范围内，镀膜时间为1-3分钟；镀膜时，真空室内先通入氩气，然后给孪生铝靶接通中频电源，在电磁场的作用下，氩气电离，氩离子轰击靶材，使孪生铝靶溅射，此时立刻通入氮气，进行反应溅射，使靶材分子与气体分子化合沉积在金属管表面，形成薄膜。S105：吸收膜层的镀制：S1051：第一吸收亚层的制备：采用镍铝靶和孪生铝靶同时进行反应溅射镀膜，直至所述膜层达到所需设计厚度；其镀膜的工艺参数是：通入真空镀膜室的氩气流量在100-120sccm范围内，氮气流量在70-80sccm范围内；工艺真空度在3.0*10-1-3.5*10-1Pa范围内，采用中频电源给孪生铝靶供电，频率在40-60KHZ范围内，其中铝靶电压在400-420V范围内，电流在40-45A范围内；采用直流脉冲电源给镍铝靶供电，镍铝靶电压在500-550V范围内，电流在40-45A范围内，镀膜时间为3-5分钟；镀膜时，真空室内先通入氩气，然后给孪生铝靶接通中频电源，给镍铝靶接通直流脉冲电源，在电磁场的作用下，氩离子轰击镍铝靶和孪生铝靶，镍铝靶的靶材分子沉积在金属基材表面形成镀膜；孪生铝靶溅射时与通入的氮气发生反应溅射，使孪生铝靶的靶材分子与气体分子化合沉积在金属管表面，形成薄膜。S1052：第二吸收亚层的制备：采用镍铝靶和孪生铝靶同时进行反应溅射镀膜，直至所述膜层达到所需设计厚度；其镀膜的工艺参数是：通入真空镀膜室的氩气流量在100-120sccm范围内，氮气流量在60-70sccm范围内；工艺真空度在3.0*10-1-3.5*10-1Pa范围内，采用中频电源给孪生铝靶供电，频率在40-60KHZ范围内，其中铝靶电压在400-420V范围内，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温太阳能选择性吸收涂层，以金属材料为基材，其特征在于，在金属基材的表面，由内至外依次包括：金属反射膜层、扩散阻挡膜层、吸收膜层和增透膜层；其中，所述吸收膜层包括金属含量由内至外呈梯度降低的四个吸收亚层。

【技术特征摘要】
1.一种高温太阳能选择性吸收涂层，以金属材料为基材，其特征在于，在金属基材的表面，由内至外依次包括：金属反射膜层、扩散阻挡膜层、吸收膜层和增透膜层；其中，所述吸收膜层包括金属含量由内至外呈梯度降低的四个吸收亚层。2.根据权利要求1所述的高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述吸收膜层为氮化镍铝吸收膜层。3.根据权利要求2所述的高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述增透膜层为SiO2-Al2O3双增透膜。4.根据权利要求1-3任一项所述的高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述金属反射膜层的厚度为80-100nm，所述扩散阻挡膜层的厚度为15-25nm，所述吸收膜层中由内至外的四个吸收亚层的厚度分别为35-40nm，30-35nm，25-30nm，20-25nm，所述增透膜层的厚度为80-100nm。5.一种高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，用于制备权利要求1-4任一项所述的高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，所述方法应用于中频和脉冲直流真空磁控溅射镀膜设备，所述方法按照如下步骤进行：S101：基体前处理：将金属基材进行抛光后用去离子水冲洗，然后烘干钝化，使金属基材的表面形成钝化层；S102：预热：将步骤S101中处理过的金属基材置于镀膜机的真空室内，使所述金属基材自转的同时能够绕真空室的中心旋转，然后将真空室内的温度升高至350-400℃，保温30-60min；S103：金属反射膜层的镀制：采用直流脉冲电源溅射镍铝靶，在金属基材表面镀制金属反射膜层，直至所述膜层达到所需的设计厚度,镀膜工艺参数是：本底真空度在4.0*10-3Pa以下，通入真空镀膜室的氩气流量在160-200sccm范围内，工艺压强为2.0*10-1-2.5*10-1Pa；直流脉冲电源的溅射电压在400-450V范围内，电流在40-45A范围内，镀膜时间为8-10min；S104：扩散阻挡膜层的镀制：采用孪生铝靶中频反应溅射方式，实施反应溅射镀膜，直至所述膜层达到所需的设计厚度；其镀膜工艺参数是：通入真空镀膜室的氩气流量在100-120sccm范围内，反应气体氮气的流量在55-65sccm范围内，其工艺压强为3.0*10-1-3.5*10-1Pa；中频电源溅射电压在420-440V范围内，频率40-60KHZ范围内，电流为40-45A，镀膜时间为1-3min；S105：吸收膜层的镀制：S1051：第一吸收亚层的制备：采用镍铝靶和孪生铝靶同时进行反应溅射镀膜，直至所述膜层达到所需设计厚度；其镀膜的工艺参数是：通入真空镀膜室的氩气流量在100-120sccm范围内，氮气流量在70-80sccm范围内；工艺真空度在3.0*10-1-3.5*10-1Pa范围内，采用中频电源给孪生铝靶供电，频率...

【专利技术属性】
技术研发人员：田洪增，张文庆，
申请(专利权)人：山东中信能源联合装备股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37