太阳能选择性吸收表面涂层及其形成方法技术

太阳能选择性表面涂层１３沉积在太阳能集热元件１０上。表面涂层１３为３层结构：里层的亮金属红外反射层１４，沉积在红外反射层上的太阳能吸收涂层１５，以及减反射表面涂层１６。吸收涂层１５是以金属陶瓷形式沉积的，一般为Ｗ－ＡＬＮ，或是不锈钢－ＡＬＮ在气体介质中通过不与反应气体反应的第一金属电极２３和与反应气体反应的第二金属电极２４同时溅射形成的，即吸收涂层１５是在只与两电极（２３和２４）之一反应的含有反应气体的气体介质中，由第一和第二电极共沉积的溅射物质形成的。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
该专利技术与太阳能选择性吸收表面涂层相关，与一种在物面上沉积涂层的方法及用于太阳能集热系统的集热元件相关。多数的太阳能选择性吸收表面涂层目前都是应用金属-介电复合物(又称作金属陶瓷)来作为太阳能吸收材料。该复合材料以适当厚度涂层和金属组分沉积，在主要的太阳能辐射区域表现出强烈的吸收峰而对热(红外)辐射则基本保留为透明的。该复合物被沉积在对红外反射的金属基材上以形成太阳能选择性吸收表面涂层。所研究的吸收涂层包括直流反应溅射的氧化铬，铬-氮，铬-碳，钛-氮，钛-碳，钛-氮-碳，锆-氮，锆-氮-碳，锆-氮-碳，镍-碳，镍-氮，钼-碳，不锈钢-碳及铝-氮等复合物。其中有几种复合材料已经用作商业化生产的集热元件的吸收表面涂层，其中包括直流反应溅射的不锈钢-碳复合物和铝-氮复合物。不过，这些复合材料由于不具备高温下的热稳定性，故只能在低温或中温(至多高达350℃)时使用。在高温时表现稳定的吸收涂层有射频溅射的金属-AL2O3和金属-SiO2复合物。已用于商业化制造集热元件的金属陶瓷吸收涂层是采用直流溅射的金属Mo和射频溅射的AL2O3和SiO2的介电材料复合物。然而，应用射频溅射的介电材料来生产金属陶瓷，不论从设备投资还是从沉积要求的能源来讲，其费用都是昂贵的。还有，由于热导率差，介电材料靶可能产生裂缝，这将使沉积金属陶瓷时遇到困难。该专利技术在于寻找一种可提供包含金属陶瓷吸收层的太阳能选择性表面涂层，该表面涂层可采用一种相对经济的沉积工艺来生产并且当金属陶瓷含有适当的金属组分时，具备高温热稳定性。因此，本专利技术可大致定义为提供一种太阳能选择性吸收表面涂层，其由红外反射金属及沉积在反射金属上的太阳能吸收涂层组成。吸收涂层由金属陶瓷组成，该金属陶瓷则是在混合气体介质中由多种金属电极同时溅射在红外反射金属上，其中第二金属电极和介质中的活性气体反应，第一金属电极则不与活性气体反应。该专利技术也可定义为提供一种形成太阳能选择性吸收表面涂层的方法，这种方法由以下步骤组成(a) 用非反应溅射工艺把一种红外反射金属层沉积在一种基底材料上。(b) 在反射金属层上沉积一种太阳能吸收涂层。该吸收涂层沉积为金属陶瓷，金属陶瓷则是在至少有一种活性气体的混合气体介质中由第二金属电极与介质中的活性气体反应和第一金属电极不与活性气体反应同时溅射而形成的。本专利技术也提供一种太阳能集热元件，该元件包括一个可供热交换流体从中流过的管子，一个玻璃封接的外套管，管子与外套管之间抽成真空空间以及一种如上所述的沉积在管子外表面的太阳能选择性吸收涂层。太阳能集热元件的管子可以是金属的也可以为玻璃的。当管子是由适当的金属制成时，其外表面可以作为太阳能选择性吸收表面涂层的红外反射层，即在一定情况下，太阳能吸收涂层可被直接沉积在集热元件的热交换管的外表面上。如上所述本专利技术的多种不同形式有一共同特性，即当第一电极金属和第二电极金属共同溅射沉积时，气体介质仅与两电极之一起反应。由反应溅射形成金属陶瓷时，活性气体的选择将由作为第一电极与第二电极的金属决定。如前所指，该气体须与第二电极金属反应形成金属陶瓷的介电组分而不与第一电极金属反应。该气体在象氩气这样的惰性溅射激励气体介质中可以由气体混合物组成(即两种或两种以上的反应气体)，最优先选取的活性气体为氮气。当在氮气存在下溅射时，第二电极金属与氮气反应溅射形成介电组分。在这种情况下第二电极也会与残余氧发生反应溅射形成也有用的介电组分。当在活性气体氮气存在下溅射时，形成金属陶瓷中的金属相组分的金属(即如上所指的第一电极金属)优先从钨，钨合金，不锈钢，因康镍合金(Inconel)，哈斯特洛伊耐蚀镍基合金(Hastelloy)，蒙乃尔合金(Monel)，镍-铬合金，铂，铱，锇，钌，铑，铼，钼，钼合金及金中选取。不过，最优先选取的第一电极金属为钨，特别是在对于吸收涂层要求具备高温热稳定性的应用方面。当在活性气体氧气存在下溅射时，形成金属陶瓷中的金属相组分的第一电极金属优先从铂、铱、钌、铑、铼及金中选取。然而，第一电极首选金时，可使花费最低；首选铂时，可达到最大的高温稳定性。进行反应溅射沉积以形成介电基质的金属(即上所指的第二电极金属)可优先从镁和铝中选取，然而，为使成本最低，铝是第二金属电极的最佳选择。红外反射层金属优先选自铝、钨、铜、金、银和钼，然而，对于要求在高温下运行的选择性吸收表面涂层最优的选择则为钨和钼。各种金属的沉积，包括非反应溅射形成的红外反射金属层及在活性气体存在下，第一、第二种金属电极的共同溅射沉积，均可通过直流或交流磁控溅射方法实现。虽然射频磁控溅射方法也可采用，但是本专利技术的经济优势就会因此丧失或者显著降低了。吸收涂层可以沉积为均匀的单层金属陶瓷膜，金属组分均匀分布在整个涂层厚度内电介质基质中。吸收涂层也可以是渐变膜，即金属陶瓷的金属组分随着涂层的厚度增加。吸收涂层也可由多层金属陶瓷组成，每一金属陶瓷层都是均一的，但每一层的折射率都与其相邻层的不同，而且每一层具有一定的厚度，这样它能使红外辐射透过，但通过内部吸收及相位补偿干涉可使太阳辐射得以吸收。多层吸收涂层首选形式为一种两层金属陶瓷的结构。两个相邻层间折射率的失配可通过在各层使用不同的金属陶瓷材料来得到，不过，建议金属陶瓷材料的每一层组分是一样的；其相邻层间的折射率的失配可通过沉积不同的金属体积分额来达到。就两层吸收涂层来讲，最好选用其内层金属体积分额高的金属陶瓷，外层金属陶瓷的金属体积分额要低。不管吸收表面涂层结构是什么样，建议在吸收涂层上沉积一种减反射层，减反射层由可透射的介电材料组成，这会增强太阳能的吸收，而就本专利技术所建议的形式钨-氮化铝复合物来讲，建议减反射材料由反应溅射的氮化铝、氧化铝或氮氧化铝组成。抗扩散层可附加地沉积在吸收层和红外反射层之间或在红外反射层和完整的太阳能选择性吸收表面涂层的底层之间，另一方面，粘着层也可附加地沉积在红外反射层与底层之间。通过对一具体的太阳能选择性吸收表面涂层及对太阳能集热元件的全玻璃管上沉积这样的涂层的描述可以对本项专利技术更为全面地了解，该描述配有可供参考的相应图表。附图说明图1为一集热元件的纵剖面示意2为集热元件的表面涂层一小部分的放大3为制备表面涂层的溅射炉腔的示意4为溅射炉腔的剖面示意图如图1所示，集热元件包括1个内部单封端的玻璃管10，其内径约为30mm，长度为1000-2000mm，玻璃管10被放置于一封端的外玻璃管11之内，两管管间12抽真空，在内玻璃管10的外表面沉积一薄层太阳能选择性吸收表面涂层13。集热元件一般置于一集中器内(这里未显示)，一组相同的集热元件与流体回路相联，热交换流体在10号内管中来回流过，这样10号内管表面所吸收的太阳辐射能可自管壁导向热交换流体，从而使流体得到升温。图2显示的是表面涂层13，其为3层结构，内层14为红外反射金属层，如前所述，在高温下工作时首选钨或钼金属，红外反射层通过直流磁控溅射工艺来沉积，其厚度范围一般在100-400nm，一般选择为300nm，通过沉积这样厚度的红外反射层，可使红外反射得到加强。反射层14也可沉积为2层，其中一层为抗扩散层或粘着层。太阳能吸收涂层15为金属陶瓷，它被沉积在红外反射层14上，金属陶瓷层15沉积的厚度虽可使红外辐射透过，但可通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
包括下述步骤的形成太阳能表面涂层的方法： （ａ）、用非反应溅射工艺把一种红外反射金属层沉积在一种基底材料上。 （ｂ）在反射金属层上沉积一种金属陶瓷太阳能吸收涂层。 其特征是在至少一种反应气体介质存在下，两个金属电极之一与介质中的反应气体反应的作为电极二，另一不反应的作为电极一，电极一与电极二同时溅射形成了金属陶瓷。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：章其初，戴维米尔斯，
申请(专利权)人：澳大利亚悉尼大学，
类型：发明
国别省市：AU[澳大利亚]