本发明专利技术公开了一种纳米复合Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层及其制备方法，该吸收涂层是在不锈钢的基底上依次沉积有红外高反射层、低氧吸收层、中氧吸收层和高氧减反射层，本发明专利技术涂层的制备方法为，采用电弧放电法在基底上依次沉积红外高反射层、低氧吸收层、中氧吸收层和高氧减反射层，本发明专利技术涂层结构设计合理，所制备的Cr-Al-O基复合涂层的吸收比为0.92-0.94，发射率为0.15-0.22，良好的热稳定性和很高的附着力。同时制备过程接近无污染，不但克服了常规电镀法的严重环境污染问题，同时还解决了磁控溅射法涂层热稳定性和高温附着力差的问题以及蒸镀技术的涂层均匀性差的问题，有望应用于中高温太阳能利用领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及薄膜材料领域，特别涉及。
技术介绍
在太阳能光热转换装置中，首先要使太阳辐射转换成热能，能够实现这种功能的部件就是太阳能集热器。该部件核心的部分是太阳光谱选择吸收涂层。这种涂层吸收太阳光谱紫外到近红外范围内的大部分光波，而在红外波段则是透过的，将涂层沉积在金属基底上可利用其高红外反射的特性将红外波反射掉。这样设计的目的是尽可能避免因涂层吸收红外光波而带来高的热发射率，造成热能损失，尤其随涂层工作温度的升高，这部分热损失就越严重。因此涂层的性能的好坏决定太阳能光热转效率的高低。涂层的光谱选择吸收特性是其性能评价的最要因素。在上世纪60-80年代研究这种涂层的初期，研究者大都采用在高反射金属基底沉积单一吸收层的设计概念，这种结构的涂层的吸收比在0.8以下，发射在0.1左右；增加减反射层后涂层的吸收比可提高到0.85，而对其发射率没多大影响。但还不能满足实际应用对高的光热转换效率的要求。到了上世纪90年代，随着计算机技术的发展，研究者通过理论计算发现可通过吸收层的成分渐变来实现涂层的光学层数的渐变，这种涂层的吸收比可高达0.9，大大促进了太阳光谱选择吸收涂层的研究。但是这种结构的涂层由于成分渐变造成其在1500-2500nm波段的高吸收到高反射转变的过于缓慢，导致其发射率高于0.2而不能满足实际的应用要求。本世纪出，研究者提出了四层结构的设计概念，即在基底先沉积一层高红外反射金属以降低涂层的发射，再在其上面依次沉积两层吸收层，其中的低金属含量层叠在高金属含量层上，以大量吸收太阳辐射，最后再沉积一层电介质层以降低涂层对太阳辐射的反射。这种涂层的吸收机理有两种:一种是本征吸 收，主要是通过高金属含量的两吸收层实现；一种是干涉相消吸收，主要是通过四层结构的组合后的在太阳辐射波段的干涉相消效应实现。根据该设计概念制备的涂层吸收比高达0.95而发射率在0.2以下，可以满足实际应用的要求。而且同时期的纳米材料的微结构研究也发现，高金属含量的吸收层是由纳米尺度的金属颗粒镶嵌在金属氧化物电介质的基体上构成。这种复合材料对太阳辐射大量吸收是由纳米金属颗粒表面的大量电子在入射光的电磁场作用产生强烈的振荡而引起的，也就是表面等离子振荡吸收作用。这大大方便研究者制备太阳光谱选择吸收涂层。目前电化学镀技术和物理气相沉积技术是制备选择吸收涂层的主要技术。采用电化学镀技术中的电镀技术，已成功制备出黑铬和黑镍涂层，具有良好的选择吸收性；电化学镀技术中的另外一种技术是电化学转化法，其中最成熟的工艺是铝阳极氧化膜，这种涂层是无色透明的多孔膜，具有很高的吸收比和很低的发射率。但电化学法制备的涂层热稳定性差，并且其环境污染问题还没有有效的解决办法，该方法正被逐渐被淘汰，取代的方法是物理气相沉积技术。应用于制备太阳光谱选择吸收涂层的物理气相沉积技术主要是蒸镀技术和磁控溅射技术。最先使用的方法是蒸镀技术，在红外高反射金属表面沉积一层半导体薄膜，由于半导体大量吸收其吸收限波长以下的光波，对吸收限波长以上的光波则是透明的，金属基底对透过半导体层的光波高反射，从而实现对太阳光谱的选择吸收。但蒸镀技术也存在不足，由于沉积的涂层均匀性差，这种方法不适合大面积沉积太阳光谱选择性吸收涂层，并且沉积速率难以控制和涂层中出现大量的针孔，影响涂层的质量，限制了这种技术的广泛应用。在制备太阳光谱选择吸收涂层的丛多技术中，磁控溅射技术是最成熟的也是应用最广泛的技术。该技术制备的涂层厚度可以控制，可以结合理论计算结果进行涂层的制备。采用有效介质理论和计算机模拟技术，通过数值优化，可以计算出具体涂层材料获得最佳选择吸收性的光学参数和厚度，然后利用该技术厚度可控的优势制备出涂层。该方法制备的涂层的吸收比高达0.9，发射率低于0.2，在真空中具有较好的热稳定性；已在太阳能热水系统和其他中低温太阳能利用领域实现商业化应用。但该方法由于溅射金属原子的离化率低，制备的涂层中金属成分价态低，在空气中进一步氧化，造成其热稳定性差(低于400°C)，涂层在400°C以上的空气中短时保温出现吸收比大幅度下降发射率大幅度升高及由于应力作用产生裂纹甚至剥落的现象，说明涂层的热稳定性和高温附着力较差，限制其在中高温空气环境中的应用；并且该方法的沉积速率较慢，这增加了涂层的制备周期，增加了成本。因此，寻求一种既无环境污染又保持涂层的高吸收和低发射特性且在高温下具有较好涂层附着力的制备工艺是一个急需的课题，同时寻找具有更高热稳定性的新材料也成为一个热点问题。电弧离子镀技术也是一种物理气相沉积技术，由于具有无污染、离化率高、沉积速率快、离子能量大、成本低等特点，是目前硬质涂层的主要制备技术，而将其应用于制备太阳光谱选择吸收涂层的研究还非常少，对其制备的涂层光学性能和微结构的研究更少。将其应用于制备中高温太阳能选择吸收涂层，由于在沉积涂层之前，增加了高偏压离子轰击这一工艺，实现涂层与基底的冶金结合，可以解决磁控溅射技术制备的涂层高温附着力差的问题；同时电弧蒸发的金属原子的离化率高达90%，生成的涂层化学态稳定从而提高其热稳定性；而且通过改变通入的反应气体的流量和控制每层的沉积时间，制备出四层结构的涂层；还有通过装载基底的工件架的旋转，使基底在电弧靶前面沉积纳米金属颗粒后转到反应气氛中反应掉部分金属得到纳米晶-非晶复合材料的吸收层，从而保持涂层的高吸收低发射的选择吸 收性。Al2O3是一种具有低折射率、高热稳定性、高硬度、耐腐蚀的抗氧化材料，常用做电介质 和刀具涂层材料，其在太阳光谱选择吸收涂层中已被大量用作复合材料吸收层的基体和减反射层，并且在高温下表现出良好的热稳定性。金属Cr也是一种具有良好抗氧化和抗腐蚀能力的材料，由于其在表面形成致密的Cr2O3层。将金属Cr与Al2O3复合有望制备出具有良好性能的Cr-Al-O涂层。电弧离子镀技术可制备出四层结构Cr-Al-O涂层，这种涂层不仅具有高的吸收比和低的发射率，还具有很高的热稳定性，有望应用于中高温太阳能利用领域。
技术实现思路
本专利技术的目的在于应用最先进的太阳光谱选择吸收涂层的四层结构设计概念，结合大功率放电多弧离子镀技术在制备纳米晶-非晶复合材料的优势，同时克服电镀技术和磁控技术的不足，提供。本专利技术产品的技术方案是: 一种纳米复合Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层，其特征在于:该吸收涂层是在不锈钢的基底上依次沉积有红外高反射层、低氧吸收层、中氧吸收层和高氧减反射层，其中:红外高反射层材料为纯金属Cr ;低氧吸收层和中氧吸收层均为Cr-Al合金纳米晶与非晶相(Al2Cr)-Ox的复合材料，其中低氧吸收层X的范围为0.67彡X彡0.75，中氧吸收层的X的范围为0.8彡X彡0.9 ;高氧减反射层为非晶(Al2Cr) Ox材料，其中X的范围为I彡X彡1.2。为进一步提高本专利技术的性价比:所述吸收涂层的整体厚度在600nm 820nm,其中:高反射层的厚度为500-600纳米；低氧吸收层的厚度为65-75纳米；中氧吸收层的厚度为40-50纳米；高氧减反射层的厚度为45-55纳米。所述低氧吸收层中Cr-Al合金纳米晶的大小为2-5纳米；中氧吸收层中Cr-Al合金纳米晶的大小为2-3纳米。本专利技术还提供此吸收涂层的制备方法: 在制备过程中基底保持本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种纳米复合Cr?Al?O太阳光谱选择吸收涂层，其特征在于：该吸收涂层是在不锈钢的基底上依次沉积有红外高反射层、低氧吸收层、中氧吸收层和高氧减反射层，其中：红外高反射层材料为纯金属Cr；低氧吸收层和中氧吸收层均为Cr?Al合金纳米晶与非晶相（Al2Cr）?OX的复合材料，其中低氧吸收层X的范围为0.67≤X≤0.75，中氧吸收层的X的范围为0.8≤X≤0.9；高氧减反射层为非晶(Al2Cr)OX材料，其中X的范围为1≤X≤1.2。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘辉东，杨兵，万强，王如意，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：
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