[发明专利]非真空中高温太阳能选择性吸收周期涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及涂层领域，具体的是涉及非真空中高温太阳能选择性吸收周期涂层及其制备方法。

背景技术

本发明主要用于提高太阳能热电站塔式太阳能集热器吸热效率。相关研究始于20世纪50年代。目前已经投入使用或正在研究的中高温太阳能选择性吸收涂层制备工艺只有磁控溅射法及多弧离子镀法。磁控溅射法对厚度控制精度高，一般用作选择性吸收涂层的磁控溅射膜厚度约在200～800nm之间，且膜层致密，其选择吸收性能也十分优异，已见报道的铜基片上复合TiAlN_xO_y涂层的吸收率/发射率为0.95/0.05。但磁控溅射膜结合强度低，抗热冲击性能差，可应用于中温领域，但限制了它在高温领域的应用。多弧离子镀法广泛应用于刀具涂层制备中，产业化方便，且沉积效率高，结合强度大，抗热冲击性能好，厚度控制精度较高，膜层较致密。但膜层一般较磁控溅射膜厚，常见的多弧离子镀制备太阳能选择性吸收涂层约为1～2μm，因此削弱了它的选择吸收性能。已见报道的多弧离子镀制备Al-AlN太阳能选择性吸收涂层的吸收率/发射率为0.90/0.06。

目前太阳能选择性吸收涂层通用结构为红外反射层、吸收层、减反层三层复合结构。这种复合结构设计解决了单层结构功能单一的问题，但由于太阳光谱波长要求，造成各层厚度过薄，容易形成通孔等缺陷，对涂层的耐蚀性能造成负面影响。而且由于层数过多，各层光学参数相差较大，设计时使用的程序很复杂，客观上增加了设计及制造成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提出一种非真空中高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，该涂层易于设计，能够在大气环境中使用；并且制备方法简单，易于控制。

本发明解决其技术问题采用以下技术方案：非真空中高温太阳能选择性吸收周期涂层，其由自上至下的致密氧化物薄膜和周期性涂层组成，所述的周期性涂层包括有至少两个由多弧离子镀工艺或磁控溅射工艺制备的两层折射率不同的金属陶瓷涂层组成的周期单元，所述的周期单元通过重复排列形成周期性涂层，所述的金属陶瓷涂层自上至下分别为含有金属成分的金属氮氧化物涂层和金属氮化物涂层。

按上述方案，所述的金属为Ti-Al或Cr-Al成分，所述的Ti-Al或Cr-Al两种成分的质量百分比为Ti或Cr:Al=0.3～3.0。

按上述方案，所述的致密氧化物为TiO₂或/和Al₂O₃。

按上述方案，所述的金属氮氧化物为TiON或CrON与AlON的混合物；所述的金属氮化物为TiN或CrN与AlN的混合物。

非真空中高温太阳能选择性吸收周期涂层的制备方法，其特征是包括有以下步骤：

1）将基体材料装入多弧离子镀或磁控溅射炉内，并装置Ti-Al靶材或Cr-Al靶材；

2）通入氮气，控制沉积时间和气体流量以进行含金属成分的金属氮化物涂层的沉积；

3）减少氮气流量，同时通入氧气，控制沉积时间和气体流量以进行含有金属成分的金属氮氧化物涂层的沉积；

4）重复步骤2）和步骤3）2～4次，得到周期性涂层；

5）根据周期性涂层沉积致密氧化物，如果涂层中含有Ti元素，则沉积TiO₂和Al₂O₃涂层，其中沉积的Ti、Al元素含量比例同周期性涂层；如果涂层中含有Cr元素，则沉积纯Al₂O₃涂层。

入射光射入涂层后，通过多次反射及干涉相消可以提高涂层的吸收率。而中红外光（波长在2500～25000nm）透射能力差，因表面的致密氧化层可以阻挡中红外光深入涂层内部，且表面致密氧化层有较高的红外反射率，中红外光在最上面的周期内无法实现干涉相消，因而涂层发射率较低。本发明提供的太阳能选择性吸收涂层通过将由两层光学性能不同的金属陶瓷涂层组成的复合涂层单元进行周期重复得到，通过层数增加实现多次反射，通过光的干涉效应及反射规律实现对不同波长光波的反射加强或削弱，进而提高涂层的吸收率，降低涂层发射率。涂层周期变化可以减小各层在高温环境中受到的应力，提高涂层寿命。其可利用多弧离子镀工艺或磁控溅射工艺制备，制备过程中，通过周期性调整炉内气氛，实现周期涂层沉积。

本发明的有益效果在于：