本发明专利技术涉及包埋钛或钛合金金属团蔟的金属陶瓷薄膜，属于太阳能选择性吸收涂层技术领域。该金属陶瓷薄膜由依次在基体上溅射的铜（Ｃｕ）或钛（Ｔｉ）反射层、氮化钛包埋钛或钛合金金属团簇（Ｔｉ－ＴｉＮ）吸收层和氮化钛（ＴｉＮ）减反射层组成。本发明专利技术采用的钛或钛（Ｔｉ）合金的熔点均大于１５７０℃，使得复合金属陶瓷薄膜吸收层、反射层和减反射层的热稳定性好，长期使用于超过３００℃的条件下不会发生变化，因此成为在中高温太阳能真空集热管中可以应用的太阳能选择性吸收涂层，其热稳定性远优于以铝作为反射材料、以氮化铝为包埋层和减反射层的太阳能选择性吸收涂层并可以与包埋非反应金属团簇的太阳能选择性吸收涂层相媲美。
Metal ceramic film buried titanium or titanium alloy metal cluster.
The present invention relates to a metal ceramic film buried titanium or titanium alloy metal cluster, which belongs to the technical field of solar selective absorbing coating. The metal ceramic film on a substrate by sequentially sputtering of copper (Cu) or titanium (Ti) reflection layer, titanium nitride embedded titanium or titanium alloy metal clusters (TiTiN) absorption layer and a titanium nitride (TiN) antireflection layer. The invention adopts the titanium or titanium (Ti) alloy melting point is greater than 1570 DEG C, the composite metal ceramic thin film absorption layer and thermal stability of the reflective layer and the antireflection layer is good, long-term use in more than 300 DEG C under the condition of not changing, thus become solar selective can be used in high temperature in solar vacuum tube absorption coating, its thermal stability is far superior to aluminum as reflective material, solar selective encapsulation layer and antireflection layer and absorbing coating with solar selective embedding non reactive metal clusters comparable absorption coating on aluminum nitride.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于太阳能选择性吸收涂层
，特别涉及选择难熔金属钛或钛(Ti)合金生成的纳米金属团蔟包埋在氮化物金属陶瓷中制备新型光学薄膜的技术。
技术介绍
氮化物或氧化物金属陶瓷具有优异的光学性能，如TiO2，AlN，Al2O3，TiN等等，各自具有特定的光谱性能。像TiO2薄膜对紫外光吸收，而可见光可以通过，TiN和AlN薄膜对太阳光谱是完全透明的。氮化物或氧化物金属陶瓷薄膜虽然各自有特定的光谱性能，但是，通过特殊的处理，采用掺杂、离子注入、团蔟包埋选定的元素等等手段，可以改变金属陶瓷薄膜的光学性能。本专利技术选用了钛或钛合金金属，采用溅射技术、纳米团蔟包埋的方法，对TiN金属陶瓷薄膜的光学性能进行改性，以达到实际的应用目的。这种新型的薄膜可以用做太阳能选择性吸收涂层。目前商用大批量生产的太阳能选择性吸收涂层基本上为铝(Al)与氮化铝(AlN)的复合物。金属铝按照设定的比例分布在氮化铝金属陶瓷中，制备出选定厚度的多膜涂层。其中，紧贴玻璃基体的是铜(Cu)或铝(Al)反射层，上面是铝(Al)与氮化铝(AlN)的复合物组成的吸收层，最后是氮化铝(AlN)减反射层。这种组合膜层对300nm至红外光谱具有选择性吸收性能，在太阳辐射区域有强烈的吸收，而对红外辐射则是全透的。该组合膜层使用两靶或单靶溅射炉生产(采用铜反射层时使用铜、铝两只靶，铝反射层时使用只一只铝靶即可)，一只铝靶在氮气不足的条件下同时生成氮化铝包埋铝金属团蔟陶瓷薄膜，然后再生成氮化铝窗口层，该铝靶或另加一只铜靶用来制作铝反射层或铜反射层。除了上述的铝(Al)与氮化铝(AlN)的复合物涂层外，多年来人们还研制了氧化铬、铬—氮、铬—碳、钛—碳、钛—氮—碳、锆—氮—碳、镍—碳、镍—氮、钼—碳、不锈钢—碳等复合薄膜，其中有几种已作为太阳能集热涂层用于商业化生产。以上复合膜层均采取利用反应金属进行反应溅射的制备原理，这类制备方法较为简单，工艺也已成熟，膜层对太阳能具有较好的吸收性能，但膜层均不具备高温下的热稳定性，使用温度局限在150℃左右。1996年澳大利亚悉尼大学的章其初博士获得了一项“太阳能选择性吸收表面涂层”的专利，用于中高温太阳能真空集热管。该专利是采用三只靶的溅射方法，工作时在至少一种反应气体的存在下，一只靶与反应气体反应生成金属陶瓷，另一只靶不与气体反应，用于生成纳米金属团簇，两靶同时溅射形成了太阳能选择性吸收涂层；第三靶用于制备反射层。与反应气体反应的靶选用铝或镁，另一靶选择钨、钨合金、不锈钢、镍、镍合金、镍铬合金、铂、铱、饿、钌、铑、铼、钼、钼合金及金。该专利中叙述的太阳能真空集热管的制备方法与已有的商品(铝与氮化铝的复合物涂层)生产方法类似，只是需要使用三靶溅射炉。其中，一只铜靶用来制作铜反射层，一只铝靶生成氮化铝，而另一只金属靶生成被包埋的非反应金属团簇。多靶溅射方法已是通用技术，采用铝靶制备氮化铝(AlN)也是通用的方法。该专利最大专利技术点(即构成与已有技术的区别特征)是选择了不反应靶电极的材料，用其制备被包埋的非反应金属团簇。该方法制备的太阳能选择性吸收涂层高温时表现稳定，这种选取反应金属和非反应金属同时进行反应溅射和非反应溅射的制备原理，为制备出热稳定性好的中高温太阳能选择性吸收涂层提供了一种新途径。此后又有一些采用此制备原理的相似技术出现，但此类制备方法一般需要使用三靶溅射炉，生产工艺较为复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种包埋钛或钛合金金属团蔟的金属陶瓷薄膜及其制备方法，采用较为简单的反应溅射制备方法，获得高温下热稳定性好的太阳能选择性吸收涂层。本专利技术提出的一种包埋钛或钛合金金属团蔟的金属陶瓷薄膜，其特征在于，由依次在基体上溅射的铜(Cu)或钛(Ti)反射层、氮化钛包埋钛或钛合金团簇(Ti--TiN)吸收层和氮化钛(TiN)减反射层组成。上述各膜层的厚度为所述反射层的厚度为100～500nm。；吸收层的厚度为30～200nm；减反射层的厚度为60～100nm。制备包埋钛或钛(Ti)合金金属团蔟的金属陶瓷薄膜可以有多种方法，如比较昂贵的有离子束产生装置的金属团蔟包埋设备，比较经济实用的是多室多靶磁控直流溅射设备。本专利技术所述的金属陶瓷薄膜采用单靶或两靶磁控溅射炉的磁控溅射方法制备。在单靶磁控溅射炉中只设置一只钛或钛(Ti)合金靶，而两靶磁控溅射炉中设置一只铜(Cu)靶(仅用于制作反射层)和一只钛或钛(Ti)合金靶。当制作本专利技术所述金属陶瓷薄膜的吸收层时，工作气体用氩气(Ar)，反应气体为氮气(N2)，具有一定能量的氩(Ar)离子轰击靶材表面，靶材的原子或原子团蔟被溅射出来。当反应气体不足时，一部分原子或原子团蔟与反应气体反应，生成金属陶瓷层；一部分无法与反应气体反应，生成钛或钛(Ti)合金金属团蔟包埋于金属陶瓷之中。合理控制靶电极的电流、电压和氮气(N2)的供应量，使本专利技术需要的成分不断沉积到基底材料上。为了获得所需要的光谱性能，每层的厚度不同，所包埋的Ti金属团簇组分不同，采用溅射技术可以准确控制。本专利技术的特点及效果本申请人经过实验得出采用氮化钛包埋钛或钛(Ti)合金金属团簇，使得原来十分透明的氮化钛(TiN)改性为极好的太阳能选择性吸收材料。太阳光谱的可见光至红外光部分(300～3000nm)经过多次反射、折射、干涉、吸收后，绝大部分(94％以上)被涂层吸收，转化为热量，传导到真空集热管的玻璃基体内部得以利用；另一方面，改性后的涂层变为黑兰色，灰体发射率降到很低(5％以下)，从而成为很好的太阳能选择性吸收涂层。由于钛或钛(Ti)合金的熔点均大于1570℃，使得复合金属陶瓷薄膜吸收层、反射层和减反射层的热稳定性好，长期使用于超过300℃的条件下不会发生变化，因此成为在中高温太阳能真空集热管中可以应用的太阳能选择性吸收涂层，其热稳定性远优于以铝作为反射材料、以氮化铝为包埋层和减反射层的太阳能选择性吸收涂层并可以与包埋非反应金属团簇的太阳能选择性吸收涂层相媲美。本专利技术利用反应溅射方法，使用了单靶或两靶磁控溅射工艺，选择包埋钛或钛(Ti)合金金属团蔟的氮化钛(TiN)金属陶瓷薄膜结构，可以在设备投资较少或利用原有生产低温太阳能真空集热管的设备上实现高质量中高温太阳能真空集热管的生产，使产品的成本降低，有利于新能源的普及和发展。附图说明图1是本专利技术的包埋钛或钛合金金属团蔟的金属陶瓷薄膜剖面示意图。图2是制备本专利技术所述涂层所使用的两靶溅射设备剖面示意图。图3是制备本专利技术所述涂层所使用的单靶溅射设备剖面示意图。图1——图2中，1是基体(玻璃管或金属管)，2是铜靶，3是溅射炉，4是进气管a(Ar)，5是进气管b(N2)，6是钛或钛合金靶，7是反射层(Cu，50～150nm；Ti，100～500nm)，8是钛或钛合金金属团簇包埋层(Ti合金团簇包埋于TiN中，30～200nm)，9是减反射层(TiN，60～100nm)。具体实施例方式本专利技术提出的包埋钛或钛合金金属团蔟的金属陶瓷薄膜，结合附图及实施例进一步说明如下本专利技术的包埋钛或钛合金金属团蔟的金属陶瓷薄膜结构如图1所示，包括依次在基体上溅射的铜(Cu)或钛(Ti)反射层7、氮化钛包埋钛合金金属团簇(Ti--TiN)吸收层8和氮化钛(TiN)减反射层本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种包埋钛或钛合金金属团蔟的金属陶瓷薄膜，其特征在于，由依次在基体上溅射的铜（Ｃｕ）或钛（Ｔｉ）反射层、氮化钛包埋钛或钛合金金属团簇（Ｔｉ－－ＴｉＮ）吸收层和氮化钛（ＴｉＮ）减反射层组成。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：邹定国，赵平，潘明君，吴典华，
申请(专利权)人：邹定国，赵平，潘明君，吴典华，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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