[发明专利]一种高性能光热转化多基元合金氮化物薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能光热应用领域，主要涉及一种高性能光热转化多基元合金薄膜及其制备方法。

背景技术

随着能源短缺和环境污染问题的日益加剧，扩大太阳能应用领域的工作势在必行。太阳能是一类清洁的可再生能源，光热转化是直接利用太阳能的一种最有效形式，太阳能光谱选择性吸收涂层是直接将太阳光光能进行转换的媒介，提高太阳能的转化效率一直是太阳能热利用的重点。目前，光热转化用太阳能光谱选择吸收涂层仅局限于中低温下使用，其中黑铬涂层和铝阳极化涂层技术最成熟、应用最广泛，主要缺点是生产过程中废液难控制容易造成环境污染等问题。近年来，澳大利亚悉尼大学ZHANG和MILLS等人，采用直流共溅射方法将不锈钢、钨等金属粒子注入AlN介质基体,提高了溅射速率，也大幅度降低了膜层成本。根据卡诺循环效率可知，温差越大转化效率越高，为了提高光热转化效率要求涂层在更高温度下使用，然而长时间高温(>500℃)下，由于涂层间原子扩散或发生化学反应导致结合力下降甚至剥落、光学性能急剧下降。高温热稳定性和良好的光学性能一直是制约太阳能光谱选择吸收涂层发展的关键因素，因此，开发高温稳定的高性能太阳能选择吸收涂层就显得颇为重要。

多基元合金及其氮/氧金属陶瓷材料由于其特有的组分比、结构和高的混合熵，使其具有纤维结构简单化、纳米析出物、非晶结构、纳米晶粒等组织特征和高强度、高硬度、高耐磨性、耐腐蚀性耐回火软化、缓慢扩散等性能特点。因而通过设计太阳能选择吸收多基元材料涂层的结构和膜系，开发适合多基元材料和真空磁控溅射工艺,使得其在太阳能光热转化领域存在潜在的应用价值。

本发明与目前现有技术相比所具备的优势在于：

(1)制备方法简单易操作，参数易调节，成本低；

(2)沉积速率高且薄膜均匀；

(3)提供一种良好光学性能和耐高温性能兼具的多基元合金氮化物薄膜，解决高温下元素扩散薄膜剥落等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是充分利用多基元合金的优异性能，提供一种高性能光热转化多基元合金薄膜及其制备方法，既能保证与基体具有较好的结合力和优异的光学性能，又能保证具有良好的热稳定性。

为解决太阳能光谱选择吸收涂层耐高温、耐候性问题，本发明首先，采用粉末冶金法或真空电弧熔炼法制备多基元合金靶材；其次，采用真空磁控溅射镀膜工艺，充入工作气体氩气Ar和反应气体N₂，通过改变工作气压和溅射时间来获得均匀的不同厚度的多基元合金氮化物薄膜；多基元合金靶材组成成分为Al、Si及过渡金属元素Nb、Ti、Ni、Zr、Mo、Hf、Ta、W，按等摩尔比至少四种金属元素组成。

所述的一种高性能光热转化多基元合金氮化物薄膜，厚度为120～420nm。粉末冶金法：根据设计成分将摩尔比换算成质量比分别称取各个元素的粉末。将各金属元素的粉末(纯度>99.9％)，研磨混合均匀，压制成型Ar保护真空抽脂，随后烧结获得所需靶材尺寸。

真空电弧熔炼法：根据设计成分将摩尔比换算成质量比分别称取各个元素的块体(纯度>99.9％)，配制好并依次放入真空电弧炉铜模中，反复熔炼至少五次获得较均匀的铸锭，然后经过切削、车、铣等机加工得到所需靶材尺寸。合金元素的主要作用：Nb、Ti、W、Zr等过渡金属元素的添加可以提薄膜的耐高温、耐蚀性、扩散阻挡效果及光谱选择吸收程度，Al、Si的添加可以提高薄膜的抗氧化性能。

本发明提供一种高性能光热转化多基元合金氮化物薄膜及其制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一：将石英玻璃片(便于薄膜厚度测试)和抛光的不锈钢基体依次放入酒精、去离子水中分别超声清洗；

步骤二：将清洗好的基体烘干放入真空腔对应的样品台上，制备的四元合金靶材放置在真空腔蒸发源上连接直流电源；

步骤三：关闭磁控溅射真空腔体，当真空度至低于1.0×10^-3Pa时，充入高纯Ar和N₂；

骤四：调节闸板阀和充入气体流速调节工作气压0.2～1.0Pa，预溅射5～15min以去除靶材表面污染物；

步骤五：转动样品台，开始镀膜溅射，溅射时间为10～45min，最终得到多基元合金氮化物薄膜。

所述的步骤一中用酒精、去离子水超声清洗时间分别为10～20min，反复清洗2～3次，超声功率为80～100W。

所述的步骤二中蒸发源与样品台工作距离为60～80mm。