一种高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高温选择性太阳能吸收涂层，由下到上依次为红外高反射底层、光选择性吸收层和减反层，所述红外高反射底层为纯金属薄膜，所述光选择性吸收层包括两层NiCrAlY合金含量不同的NiCrAlY-M金属陶瓷薄膜，其中M为AlN或SiAl合金的氮化物，所述减反层为介质膜。本发明专利技术还公开了其制备方法。其制备工艺易于调控，所得涂层具有很好的耐高温性能、红外反射能力和发射比性能，光谱吸收性能好，机械性能强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种太阳能吸收涂层及其制备方法，具体涉及一种在高温下仍然能使用的太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。
技术介绍
随着人类科学技术的发展和生产力水平的提高，能源短缺的问题逐渐暴露出来。 传统能源如石油、天然气等的日益枯竭，限制了人类的继续发展和进步。在全球性能源紧张的新形势下，开发太阳能既经济又环保，是缓解能源紧张的新途径。太阳能选择性吸收涂层是太阳能光热过程中的核心部分，通过吸收太阳光并转化为热能。优秀的太阳能选择性吸收涂层在太阳能光谱(波长0. 3^2. 5 μ m)范围有较高的吸收比α值，同时在红外光谱(波长2.5 5.0μπι)范围内具有较低的红外发射比ε值。高温太阳能选择性吸收涂层是决定高温真空太阳集热管效率及发电效率的关键要素之一。高温真空太阳集热管使用过程温度达到350°C以上，这就要求吸收涂层不仅有很好的光谱吸收性能，还需要具有好的耐高温和机械性能。目前国内应用较广的是中国专利CN85100142公开的A1-N/A1渐变涂层，该涂层具有良好的光谱选择性，涂层的太阳吸收比可达α 0.92，红外发射比ε ^ 0. 06 (100°C)o 但当温度升高时，涂层的发射比也随之急剧上升，不适合在高温状态下使用。
技术实现思路
针对上述不足，本专利技术提供了一种在高温状态下能够稳定工作的高温太阳选择性吸收涂层，该涂层在高温环境下仍然能正常使用，且光谱吸收性能，耐高温、机械性能均很好。本专利技术还提供了涂层的制备方法，该制备方法过程易于调控，所得涂层性能优越。本专利技术采用的技术方案为一种高温选择性太阳能吸收涂层，其特征是由下到上依次为红外高反射底层、光选择性吸收层和减反层，所述红外高反射底层为纯金属薄膜，所述光选择性吸收层包括两层 NiCrAlY合金含量不同的NiCrAlY-M金属陶瓷薄膜，其中M为AlN或SiAl合金的氮化物，所述减反层为介质膜。上述涂层中，所述的纯金属薄膜为Au、Cu、Mo、Ni或W薄膜。上述涂层中，所述红外高反射底层的厚度为150nm-600nm，光选择性吸收层的厚度为60nm-200nm，所述减反层的厚度为50nm_120nm。上述涂层中，光选择性吸收层为两层NiCrAlY合金含量不同的NiCrAlY-M金属陶瓷薄膜，第一层中，NiCrAlY合金的含量为40 60摩尔％，厚度50nm-120nm，第二层吸收层中，NiCrAlY合金的含量为60 80摩尔％，厚度30nm_80nm。上述涂层中，所述介质膜为Al的氧化物、Al的氮化物或SiAl合金的氧化物，优选为SiAl合金的氧化物。3上述涂层中，NiCrAlY合金中，Cr的含量为15 25wt%，Al的含量为8% 14wt%， Y的含量为0. 5% lwt%，余量为Ni及偶存成分。本专利技术所提到的光选择性吸收层和减反层所用的SiAl合金中，Al的含量为9 21wt%,Si的含量为78 90wt%，余量为偶存成分；减反层为SiAl合金的氧化物时，Al的含量为4 8wt%，Si的含量为38 42wt%，余量为0和偶存成分。本专利技术的高温选择性太阳能吸收涂层的制备方法，采用真空磁控溅射技术进行制备，其特征是包括以下步骤(1)沉积红外高反射底层将基材放入磁控溅射镀膜机中，真空腔室真空度达到高真空后，冲入氩气，用氩离子轰击金属靶表面，使金属原子溅射出来沉积于基材上；(2)沉积光选择性吸收层用氩气与氮气的混合气体轰击NiCrAlY合金靶与M靶，形成第一层NiCrAlY-M金属陶瓷薄膜，达到厚度后进行第二层的溅射，直至厚度达到要求；所述 M靶为Al靶或SiAl合金靶；(3)沉积减反层用氩气与氮气或氧气的混合气轰击金属靶，溅射生成介质膜沉积于光选择性吸收层上。本专利技术采用NiCrAlY合金作为高温选择性吸收涂层的材料之一，在涂层中均勻形成NiCrAlY-M金属陶瓷膜(M为AlN或SiAl合金的氮化物)，很好的保证了涂层的耐高温性能，在真空中以600°C高温以及空气中以500°C高温加热后涂层性能无衰减。NiCrAlY合金为一种超高温合金，以其溅射的涂层致密，结合强度大，耐腐蚀和气蚀，能耐982° C高温，抗氧化性能优良。用于冶金轧辊、热浸镀浸没辊、热处理炉辊等热工设备表面的耐热涂层，航空发动机叶片、燃气机叶片的耐热涂层以及高温炉风口、防热罩表面热障涂层的粘结过渡层。本专利技术采用具有高红外反射能力的金属薄膜构成，所述金属可选自金(Au)、铜 (Cu)、钼(Mo)、镍(Ni)或钨(W)，所述金属均有很好的耐温性能以及高的红外反射能力，确保涂层在高温状态下有很好的发射比性能，优选性价比较高的铜作为金属层。本专利技术采用硅铝合金氧化物(SiA10)、Al的氧化物(A10)、A1的氮化物(AlN)作为减反层，优选SiAlO，目前行业内吸收涂层制备一般采用AlN作为减反层，采用SiAlO后，折射率明显低于A1N，同时还能保证高的沉积率。总体来说，采用本专利技术的高温太阳能选择性吸收涂层解决了现有涂层不适合在 500°C或以上高温下工作的问题，本专利技术的涂层具有很好的耐高温性能，在真空中以600°C 高温以及空气中以500°C高温加热后涂层性能无衰减，除此以外，本涂层还具有很好的红外反射能力和发射比性能，光谱吸收性能好，机械性能强。本专利技术采用真空磁控溅射技术制备涂层，沉积效果好，整个制备过程易于调控，易于实施。附图说明图1为太阳能选择性吸收涂层的膜层结构示意图。图2为制备本专利技术所使用的磁控溅射设备的剖面示意图。图3为实施例1所制备吸收涂层反射比测量曲线。图4为实施例1所制备涂层在真空中以600°C加热1000小时后的曲线变化。图5为实施例1所制备涂层在空气中以500°C加热1000小时后的曲线变化。其中，1、纯金属底层，2、光选择性吸收层，3、减反射层。 具体实施例方式下面结合具体实施例对本专利技术进行进一步阐述，应该明白的是，下述说明仅是为了解释本专利技术，并不对其内容进行限定。本专利技术所用的基材为铜板或不锈钢板，采用磁控溅射镀膜机进行涂层制备，其剖面示意图如图2所示，基材放置于旋转架10上，溅射气体由进气管9进入，制备方法如下首先在基材上沉积纯金属底层，在真空达到要求后，由进气管9中充入适量氩气，开启靶5，用氩离子轰击靶表面，使金属原子溅射出来沉积于基材上；然后在金属底层上溅射吸收层，由进气管9充入氩气与氮气的混合气体，开启靶6与靶 7，两种物质共同沉积于基材上形成镍铬铝钇NiCrAlY合金包含于Al的氮化物或SiAl合金的氮化物介质中的金属陶瓷材料，合金含量通过设置靶电流、电压、氮气分压进行控制，厚度通过溅射时间控制；最后在吸收层上溅射减反层，由进气管9充入氩气与反应气体组成的混合气体，开启靶材8，金属靶材原子与反应气体反应生成介质物沉积于基材上。下面通过具体的实施例对本专利技术高温太阳能选择性吸收涂层的性能及制备方法进行详细阐述。如无特别说明，所用NiCrAlY合金中，Cr的含量为15 25重量％，A1的含量为8% 14重量％，Y的含量为0. 5% 1重量％，余量为Ni及偶存成分；所用SiAl合金中，Al的含量为9 21重量％，Si的含量为78 90重量％，余量为偶存成分。如无特别说明，减反层为SiAl合金的氧化物时，Al的含量为4 8重量％，Si的含量为38 42重量％本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种高温选择性太阳能吸收涂层，其特征是：由下到上依次为红外高反射底层、光选择性吸收层和减反层，所述红外高反射底层为纯金属薄膜，所述光选择性吸收层包括两层ＮｉＣｒＡｌＹ合金含量不同的ＮｉＣｒＡｌＹ－Ｍ金属陶瓷薄膜，其中Ｍ为ＡｌＮ或ＳｉＡｌ合金的氮化物，所述减反层为介质膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李业博，刘希杰，吴旭林，柯伟，张化明，
申请(专利权)人：山东力诺新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：88