[发明专利]一种涂层及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种涂层，其可以用作为光学减反层，例如太阳选择性吸收涂层膜系的减反层。所述涂层是硅基合金的氮氧化物SiMNO薄膜材料，其中M优选为铝、锡、铟、钛、锆等合金化元素的一种或多种。本发明还涉及采用磁控溅射技术，以硅基合金靶在氩气、氮气和氧气存在中制备太阳选择性吸收涂层膜系中的减反层的方法。

背景技术

太阳选择性吸收涂层膜系优选用于太阳能集热管、太阳能集热器和太阳能热水器。该膜系由一组具有多层结构的薄膜体系(本文中简称膜系)构成，其包含附着于基材5表面上的红外高反射底层4、视需要的缓冲层3、至少一层太阳光吸收层2(本文中简称吸收层)和光学减反射薄膜层1(本文中简称减反层)。

术语“太阳能选择性吸收涂层膜系”中所谓的“选择性”是指所述膜系的光学特性对光谱具有选择性。该膜系对于波长在0.3微米至3.0微米范围内的太阳光能具有高的太阳吸收比α，并将其转化成热能。膜系与基材的温度由此升高。膜系由于自身的温度以红外热波形式向环境辐射能量，导致能量损失，因此膜系应当具有低的红外发射比ε。太阳吸收比α与红外发射比ε是太阳能选择性吸收涂层膜系整体的两项重要光热性能指标，其中太阳吸收比α取决于吸收层和减反层的选择，红外发射比ε主要取决于红外高反射底层的材料选择，并受吸收层的影响。

为了提高太阳选择性吸收涂层膜系的太阳吸收比α，在膜系的最表面需要一层光学减反射薄膜，简称减反层1，其具有较低的光学折射率n＜2.0和趋近于0的消光系数k。n和k称为光学常数，n-ik称复折射率。理论上该薄膜的厚度在λ/4n、3λ/4n...的范围内，其中λ为太阳能光谱波长0.3微米至3.0微米，n为折射率。由此太阳光在减反层界面上的反射与在吸收层界面上的反射发生接近于λ/2的相消干涉效应，其相互抵消反射而使被抵消的反射能量进入吸收层2中。因此，减反层1提高了太阳能选择性吸收涂层膜系的太阳吸收比α。当减反层的消光系数k趋近于0时，吸收层界面上的反射透过减反层后，其振幅接近于减反层界面上的反射振幅，从而彼此接近于完全抵消。由于减反层的作用，太阳能选择性吸收涂层膜系的反射比谱值曲线在例如太阳光波长约为0.5μm处趋近于0。k值越大，与减反层界面上的反射振幅相比，吸收层界面上的反射光透过减反层后的振幅越小，彼此抵消的份额也越小。因此，减反层的k值应当尽可能地趋近于0；减反层的光学折射率也应当尽可能地小，通常要求太阳选择性吸收涂层膜系的减反层的光学折射率n＜2.0。实践中减反层的厚度通常在30～100nm之间。

吸收层2内部吸收太阳能光谱范围内的能量，其本身是由一至多亚层或渐变多亚层金属与介质复合材料薄膜组成的膜系。每一亚层薄膜中的金属为纳米级粒子均匀分布在介质内，其中的金属含量沿着远离基材的方向而减少。吸收层的相邻各亚层具有不同的折射率，使得吸收层各亚层的界面之间具有干涉的效应。美国专利US005523132A针对吸收层层数与折射率和相消干涉的关系有详尽的分析计算，本申请在此引用该专利说明书关于吸收层亚层数的内容作为本申请的一部分。吸收层总厚度优选为80～180nm，优选具有二亚层以上，特别优选具有二亚层。

缓冲层3用于阻止高反射金属层与吸收层之间金属的原子相互扩散。缓冲层由金属材料构成，优选为铜、钼或其合金。缓冲层3用于阻止红外高反射底层4与吸收层2之间金属原子的相互扩散及粒子的迁移。缓冲层3的厚度优选为15nm。

红外高反射底层4由对于红外热波具有高反射能力的金属薄膜构成，高反射特性相应于具有低的红外发射比ε。所述金属选自金、银、铜、铝、钼或镍，优选铜或铝金属，特别优选含量大于99.85％的纯铝或铝合金，所述铝合金优选选自铝铜镁锰，尤其特别优选LY11或LY12。当基材5为上述金属时，则基材5本身就充当了红外高反射底层4。红外高反射底层4具有光线所透不过的沉积厚度，即一般大于100nm，优选沉积厚度为100nm～500nm之间，特别优选150nm～300nm。

基材5用作为太阳选择性吸收涂层膜系或膜系中各功能层单独应用时的载体。基材5可以是例如圆管或条带等形状的玻璃、塑料或金属。当基材5是玻璃时，例如可以沉积一层或多层减反层用作为低发射膜。当基材5是金属时，优选为铜或铝金属条带。

太阳选择性吸收涂层膜系中各层均匀薄膜的光学常数与太阳光波长的关系，可以使用紫外-可见-近红外分光光度计测量。在测得太阳能光谱范围内薄膜的垂直透射比与反射比谱值以及薄膜厚度之后，可以根据Hadley方程，用计算机反演寻优确定薄膜的n、k，并运用电磁方程计算、优化设计太阳选择性吸收涂层膜系。