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一种中高温太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法、集热壳

阅读:1033发布:2020-07-03

专利汇可以提供一种中高温太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法、集热壳专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种中高温太阳 光谱 选择性吸收涂层及其制备方法、集热壳,选择性吸收涂层包括基底层;在基底层上从下到上依次有红外反射层、复合吸收层和减反层;复合吸收层 自下而上 依次包括铬 铝 氧 化物主吸收层和铬铝氧化物亚吸收层,在基底层上依次通过磁控 溅射法 制备红外反射层、铬铝氧化物主吸收层、铬铝氧化物亚吸收层和减反层。其中铬铝氧化物主吸收层中铬铝含量比高,铬铝氧化物亚吸收层中铬铝含量比低。吸收层采用金属氧化物陶瓷,可减缓氧在吸收层内的扩散,提高涂层在中高温大气环境下的热 稳定性 ,并且所选材料价格便宜、易于用于大规模生产。,下面是一种中高温太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法、集热壳专利的具体信息内容。

1.一种中高温太阳光谱选择性吸收涂层,其特征在于:包括基底层;在基底层上依次排布有红外反射层、复合吸收层和减反层;所述的复合吸收层自下而上依次包括铬化物主吸收层和铬铝氧化物亚吸收层,所述铬铝氧化物主吸收层和铬铝氧化物亚吸收层的材料为对光谱具有吸收性能的材料,主吸收层的铬铝含量比高于亚吸收层的铬铝含量比。
2.根据权利要求1所述的太阳光谱选择性吸收涂层,其特征在于:所述铬铝氧化物主吸收层和铬铝氧化物亚吸收层的折射率依次降低;所述铬铝氧化物主吸收层和铬铝氧化物亚吸收层的消光系数依次降低。
3.根据权利要求2所述的太阳光谱选择性吸收涂层,其特征在于:在380-2500nm范围内,所述铬铝氧化物主吸收层的折射率为2.32-3.87,所述铬铝氧化物亚吸收层的折射率为
2.18-2.51;在380-2500nm范围内,所述铬铝氧化物主吸收层的消光系数为1.21-2.08,所述铬铝氧化物亚吸收层的消光系数为0.29-0.77。
4.根据权利要求1所述的太阳光谱选择性吸收涂层,其特征在于:所述的复合吸收层的总厚度为116-118nm,
其中:
所述铬铝氧化物主吸收层的材料为Cr70Al30Ox,其厚度为72-73nm;
所述铬铝氧化物亚吸收层的材料为Cr55Al45Ox,其厚度为44-45nm。
5.根据权利要求1所述的中高温太阳光谱选择性吸收涂层,其特征在于:所述的基底的材料为玻璃、304镜面不锈,所述基底层的厚度为1 6mm。
~
6.根据权利要求1所述的中高温太阳光谱选择性吸收涂层,其特征在于:所述的红外反射层的材料的辐射率低于0.04,并且在高温下热稳定性能优异,所述红外反射层的厚度为
150nm。
7.根据权利要求6所述的中高温太阳光谱选择性吸收涂层,其特征在于:所述的红外反射层为W。
8.根据权利要求1所述的中高温太阳光谱选择性吸收涂层,其特征在于:所述减反层的材料为SiO2、Al2O3、ThO2、Dy2O3、Eu2O3、Gd2O3、Y2O3、La2O3、MgO或Sm2O3,所述减反层的厚度为50
100nm。
~
9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种中高温太阳光谱选择性吸收涂层得出一种中高温太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法,其特征在于:在基底层上依次通过磁控溅射法制备红外反射层、铬铝氧化物主吸收层、铬铝氧化物亚吸收层和减反层;
在玻璃、铝、、304镜面不锈钢或316L镜面不锈钢等基底上依次沉积Al、Cr70Al30Ox、Cr55Al45Ox和SiO2薄膜
(1)基底的制备,选择抛光的304不锈钢板或者玻璃板,经过机械清洗后进行射频氩离子清洗去除表面污染层和氧化层,增进基底表面活性;
(2)红外反射层的制备,通过(脉冲)直流磁控溅射法在上述的基底层表面溅射制备一层金属红外反射层,所选用的靶材可为金属钨(纯度99.7%以上),工作气体为氩气;
(3)吸收层的制备,通过(脉冲)直流磁控溅射法在上述的红外反射层上反应溅射制备吸收层,所选用的靶材分别是铬铝合金靶CrAl(纯度99.9%,Cr:Al=70:30at%)和铬铝合金靶CrAl(纯度99.9%,Cr:Al=55:45at%),反应气体均为氧气,工作气体为氩气;
(4)减反层的制备,通过(脉冲)直流反应磁控溅射法在上述的吸收层上反应磁控溅射制备减反层,所选用的靶材为铝靶(铝含量0-30%wt,纯度99.7%以上),反应气体为氧气,工作气体为氩气。
10.根据权利要求1所述的中高温太阳光谱选择性吸收涂层得到一种中高温太阳光谱选择性吸收涂层用集热壳,其特征在于:
包括壳体,在所述壳体上设有盖板,在所述盖板下方设有吸热层和保温层,所述吸热层为上述的中高温太阳光谱选择性吸收涂层。

说明书全文

一种中高温太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法、集热壳

技术领域

[0001] 本发明涉及一种涂层,具体是一种中高温太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法、集热壳,属于涂层应用技术领域。

背景技术

[0002] 太阳能集热器采用的光谱选择性涂层膜系结构一般可以概括为基底/红外反射层/太阳光谱吸收层/表面减反射层。红外反射层为高导电率金属,对红外光谱有很高的反射率,是涂层获得低辐射性能的主要原因;吸收层材料可以是本征半导体、金属氮化物,金属介质干涉膜系,金属陶瓷复合材料等,其中金属陶瓷复合材料的吸收性能,即其光学性能,可以通过调控金属陶瓷中金属的种类和含量而优化。表面减反层可以减少涂层与空气界面处太阳光的反射,使更多的太阳光能量进入吸收层,增加了太阳光谱吸收率,进而提高集热效率。因此,针对上述问题提出一种中高温太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法、集热壳。

发明内容

[0003] 本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种中高温太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法、集热壳。
[0004] 本发明通过以下技术方案来实现上述目的,一种中高温太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法、集热壳,包括基底层;在基底层上依次排布有红外反射层、复合吸收层和减反层;所述的复合吸收层自下而上依次包括铬氧化物主吸收层和铬铝氧化物亚吸收层,所述铬铝氧化物主吸收层和铬铝氧化物亚吸收层的材料为对光谱具有吸收性能的材料,主吸收层的铬铝含量比高于亚吸收层的铬铝含量比。
[0005] 优选的,所述铬铝氧化物主吸收层和铬铝氧化物亚吸收层的折射率依次降低;所述铬铝氧化物主吸收层和铬铝氧化物亚吸收层的消光系数依次降低。
[0006] 优选的,在380-2500nm范围内,所述铬铝氧化物主吸收层的折射率为2.32-3.87,所述铬铝氧化物亚吸收层的折射率为2.18-2.51;在380-2500nm范围内,所述铬铝氧化物主吸收层的消光系数为1.21-2.08,所述铬铝氧化物亚吸收层的消光系数为0.29-0.77。
[0007] 优选的,所述的复合吸收层的总厚度为116-118nm,其中:
所述铬铝氧化物主吸收层的材料为Cr70Al30Ox,其厚度为72-73nm;
所述铬铝氧化物亚吸收层的材料为Cr55Al45Ox,其厚度为44-45nm。
[0008] 优选的,所述的基底的材料为玻璃、304镜面不锈,所述基底层的厚度为1 6mm。~
[0009] 优选的,所述的红外反射层的材料的辐射率低于0.04,并且在高温下热稳定性能优异,所述红外反射层的厚度为150nm。
[0010] 优选的,所述的红外反射层为W。
[0011] 优选的,所述减反层的材料为SiO2、Al2O3、ThO2、Dy2O3、Eu2O3、Gd2O3、Y2O3、La2O3、MgO或Sm2O3,所述减反层的厚度为50~100nm。
[0012] 一种中高温太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法,基底层上依次通过磁控溅射法制备红外反射层、铬铝氧化物主吸收层、铬铝氧化物亚吸收层和减反层;在玻璃、铝、、304镜面不锈钢或316L镜面不锈钢等基底上依次沉积Al、Cr70Al30Ox、Cr55Al45Ox和SiO2薄膜
(1)基底的制备,选择抛光的304不锈钢板或者玻璃板,经过机械清洗后进行射频氩离子清洗去除表面污染层和氧化层,增进基底表面活性;
(2)红外反射层的制备,通过(脉冲)直流磁控溅射法在上述的基底层表面溅射制备一层金属红外反射层,所选用的靶材可为金属钨(纯度99.7%以上),工作气体为氩气;
(3)吸收层的制备,通过(脉冲)直流磁控溅射法在上述的红外反射层上反应溅射制备吸收层,所选用的靶材分别是铬铝合金靶CrAl(纯度99.9%,Cr:Al=70:30at%)和铬铝合金靶CrAl(纯度99.9%,Cr:Al=55:45at%),反应气体均为氧气,工作气体为氩气;
(4)减反层的制备,通过(脉冲)直流反应磁控溅射法在上述的吸收层上反应磁控溅射制备减反层,所选用的靶材为铝靶(铝含量0-30%wt,纯度99.7%以上),反应气体为氧气,工作气体为氩气。
[0013] 一种中高温太阳光谱选择性吸收涂层用集热壳,包括壳体,在所述壳体上设有盖板,在所述盖板下方设有吸热层和保温层,所述吸热层为上述的中高温太阳光谱选择性吸收涂层。
[0014] 借由上述技术方案,本发明提出的一种中高温太阳光谱选择性吸收涂层至少具有下列优点:a、吸收层材料采用铬铝氧化物材料,主吸收层铬铝含量原子比为70:30,亚吸收层铬铝含量原子比为55:45,且氧化程度不一样,采用致密的氧化铝有效提高了涂层的中高温热稳定性
[0015] b、本发明所公开的中高温太阳光谱选择性吸收涂层吸收层包括由下(与红外反射层相邻)到上(与表面减反层相邻)折射率、消光系数依次降低的铬铝氧化物主吸收层、铬铝氧化物亚吸收层,实现在太阳光谱吸收率高于96%,80℃辐射率低于4%,400℃辐射率低于10%。
[0016] c、本发明的具体实施方式中,红外金属反射层的材料为钨,通过钨参与太阳光波段光谱吸收进一步提高了涂层的太阳光谱吸收率上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,并可
依照说明书的内容予以实施,以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

[0017] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0018] 图1是本发明提出的中高温太阳光谱选择性吸收涂层的结构示意图;图2是本发明在400℃大气环境下不同退火时间后的太阳光波段至红外波段反射光谱。
[0019] 图中:1、基底层,2、红外反射层,3、复合吸收层,31、括铬铝氧化物主吸收层,32、铬铝氧化物亚吸收层,4、减反层。

具体实施方式

[0020] 为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而非全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
[0021] 下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
[0022] 在本发明的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
[0023] 本实施列提供的一种中高温光谱选择性吸收涂层,如图1所示包括:基底层1;在基底层上依次排布有红外反射层2、复合吸收层3和减反层4;所述的复合吸收层自下而上依次包括铬铝氧化物主吸收层31、铬铝氧化物亚吸收层32,所述铬铝氧化物主吸收层、铬铝氧化物亚吸收层的材料为对光谱具有吸收性能的材料。
[0024] 热能传递有传导、对流、辐射三种方式,太阳取之不尽用之不竭的热能以辐射的方式输送到地球上。太阳光谱选择性吸收涂层是实现太阳能光热转换的核心材料,一方面,它在太阳光波段(0.3µm-2.5µm)具有高的吸收率α,尽可能地吸收太阳光能量将其转换为热能,另一方面,它在受热后发生黑体辐射的红外波段(2.0µm-48µm)具有尽可能低的辐射率ɛ,有效抑制辐射散热。一般说来,α越大越好,ɛ越小越好。但在实际制备太阳光谱选择性吸收薄膜时,当α达到某一数值后,要想进一步增大α,ɛ也会随之增大。而且,有时ɛ增加的值大于α增加的值,故实际应用中用α与ɛ的比值(α/ɛ)来表征涂层选择性的高低,α/ɛ值越大,其光谱选择性越好,并且α/ɛ (T)值越大越适合400℃以上的中高温应用。
[0025] 本发明所公开的太阳光谱选择性吸收涂层的复合吸收层包括由内到外折射率、消光吸收依次降低的铬铝氧化物主吸收层、铬铝氧化物亚吸收层,实现太阳光谱吸收率高于95%,80℃辐射率低于4%,400℃辐射率低于10%。
[0026] 具体实施时,所述铬铝氧化物主吸收层、铬铝氧化物亚吸收层的折射率依次降低;所述铬铝氧化物主吸收层、铬铝氧化物亚吸收层的消光系数依次降低。从而能够降低选择性吸收涂层对入射光的反射作用,增高所述选择性吸收涂层对光的吸收率。
[0027] 具体实施时,在380-2500nm范围内,所述铬铝氧化物主吸收层的折射率为2.32-3.87,所述铬铝氧化物亚吸收层的折射率为2.18-2.51;
在380-2500nm范围内,所述铬铝氧化物主吸收层的消光系数为1.21-2.08,所述铬铝氧化物亚吸收层的消光系数为0.29-0.77。
[0028] 具体实施时,所述的复合吸收层的总厚度为116-118nm,其中:所述铬铝氧化物主吸收层的材料为Cr70Al30Ox,其厚度为72-73nm;所述铬铝氧化物亚吸收层的材料为Cr55Al45Ox,其厚度为44-45nm。
[0029] 与金属氮氧化物做吸收层材料的太阳光谱选择性吸收涂层相比,由于金属氧化反应活性和速度远高于氮化反应活性和速度,导致获得最佳性能吸收层的氮氧比例工艺窗口窄,需要精确控制膜过程中氮气和氧气的含量,氮氧比的微小变化会引起膜系吸收率、辐射率、甚至涂层颜色的明显改变,镀膜工艺稳定性差,对镀膜设备要求高。而本专利的吸收层中的金属材料是铬铝氧化物 CrAlOx,反应气体仅仅为氧气,相比于金属氮氧化物,反应磁控溅射镀膜工艺相对简单。
[0030] 具体实施时,所述的基底的材料为玻璃、304镜面不锈钢或316L镜面不锈钢。所述的基底可采用厚度范围为1-6mm的玻璃板;所述基底层的厚度也可采用1-6mm的金属材料,例如铜、铝或者不锈钢。为增加基底1的表面活性,需要经机械清洗后进行射频离子清洗,从而去除基底层表面的污染层和氧化层。
[0031] 具体实施时,所述的红外反射层材料金属钨的80℃辐射率低于0.04,所述红外反射层的厚度为150nm。
[0032] 具体实施时,所述的减反层为理想化学配比的SiO2介质层,在波长350nm-2500nm范围内,折射率处于1.47-1.43之间,消光系数小于0.03;厚度优选为80nm-120nm。所述减反层的材料折射率较低,从而能够降低选择性吸收涂层对入射光的反射作用,增高所述选择性吸收涂层对光的吸收率。
[0033] 以上基底层、红外反射层、复合吸收层和减反层是通过镀膜工艺依次制备薄膜,所述镀制的方法为能够形成以上材料的镀膜方法即可,如磁控溅射法、电子束或热蒸发法、离子镀法、化学气相沉积法和喷涂法等。
[0034] 通过喷涂法具有成本底、工艺简单的优点,但普遍存在涂层附着差,易剥落,发射率高等缺点,并与电化学法一样存在污染问题,采用磁控溅射法制备中高温光谱选择性吸收薄膜,则可以克服这些缺点,提高光热转换效率和涂层使用寿命,同时磁控溅射工艺方法具有薄膜沉积速度快、膜层均匀致密、便于大面积成膜和工艺环保等特点,在制备太阳能集热器板芯涂层时,有利于建设大规模卧式连续自动化生产线,提高生产效率,进一步降低成本。
[0035] 下面具体以磁控溅射镀膜方法为例,进行进一步说明。在玻璃、铝、铜、304镜面不锈钢或316L镜面不锈钢等基底上依次沉积Al、Cr70Al30Ox、Cr55Al45Ox和SiO2薄膜。
[0036] 基底的制备,选择抛光的304不锈钢板或者玻璃板,经过机械清洗后进行射频氩离子清洗去除表面污染层和氧化层,增进基底表面活性。
[0037] 红外反射层的制备,通过(脉冲)直流磁控溅射法在上述的基底层表面溅射制备一层金属红外反射层,所选用的靶材可为金属钨(纯度99.7%以上),工作气体为氩气。
[0038] 吸收层的制备,通过(脉冲)直流磁控溅射法在上述的红外反射层上反应溅射制备吸收层,所选用的靶材分别是铬铝合金靶CrAl(纯度99.9%,Cr:Al=70:30at%)和铬铝合金靶CrAl(纯度99.9%,Cr:Al=55:45at%),反应气体均为氧气,工作气体为氩气。
[0039] 减反层的制备,通过(脉冲)直流反应磁控溅射法在上述的吸收层上反应磁控溅射制备减反层,所选用的靶材为硅铝靶(铝含量0-30%wt,纯度99.7%以上),反应气体为氧气,工作气体为氩气。
[0040] 按照上述制备方法进行实例的制备,具体操作步骤如下:1)304镜面不锈钢基片的清洗:首先采用中性洗涤液对玻璃基片进行初步清洗;然后在镀膜设备进片室通过射频离子源轰击不锈钢基片表面进行二次清洗,其工艺参数设置如下:射频电源溅射功率为200 W,工作气体Ar(纯度99.99%)流量为45 sccm,工作气压为9.8×10-2 mTorr,溅射时间为360 s。
[0041] 2)将304镜面不锈钢基片经由镀膜设备进片室传送进入溅射室,其中溅射室的本底真空优于6×10-6 Torr。
[0042] 3)在304镜面不锈钢基片上制备红外反射层W:采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击金属钨靶(纯度99.9%)在304镜面不锈钢基片上沉积金属W膜。其工艺参数设置如下:脉冲直流电源溅射功率为1500 W,工作气压为3 mTorr,工作气体Ar(纯度99.99%)流量为30 sccm,基片传输速率为1 m/min,玻璃基片在金属铝靶的下方往返运动5次,基片温度为300℃。
[0043] 4)在(W/304SS)上制备主吸收层Cr70Al30Ox:采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击合金CrAl靶(纯度99.9%,Cr:Al=70:30at%)在(W/304SS)上沉积Cr70Al30Ox膜。其工艺参数设置如下:脉冲直流电源溅射功率为1500w,工作气压为3 mTorr,工作气体Ar(纯度99.99%)流量为30sccm,O(2 纯度99.99%)流量为1 sccm,基片1m/min,往返2次,基片温度为室温。
[0044] 5)在(Cr70Al30Ox/W/304SS)上制备亚吸收层Cr55Al45Ox:采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击合金CrAl靶(纯度99.9%,Cr:Al=55:45at%)在(Cr70Al30Ox/W/304SS)上沉积Cr55Al45Ox膜。其工艺参数设置如下:脉冲直流电源溅射功率为1500 W,工作气压为3 mTorr,工作气体Ar(纯度99.99%)流量为30 sccm,O(2 纯度99.99%)流量为1.5 sccm,基片1m/min,往返1次,基片温度为室温。
[0045] 6)在(Cr55Al45Ox/Cr70Al30Ox/W/304SS)上制备减反层SiO2:采用脉冲直流电源氧化反应磁控溅射硅铝靶(铝含量30%wt,纯度99.7%)方法在(Cr55Al45Ox/Cr70Al30Ox/W/304SS)上沉积SiO2膜。其镀膜工艺参数设置如下:脉冲直流电源溅射功率为2000 W,工作气压为5 mTorr,工作气体Ar(纯度99.99%)流量为30 sccm,O(2 纯度99.99%)流量为14 sccm,基片传输速率为0.6 m/min,基底玻璃在硅铝靶下方往返运动6次,基片温度为室温。
[0046] 8)待完成以上制备步骤后,使样品冷却20min,出片,停机。
[0047] 图2为本发明中高温太阳光谱选择性吸收涂层材料在未加热处理、大气环境400℃100小时退火时间下 0.3-48微米m波段的反射光谱,0.3-2.5微米m波段反射光谱由日立U-
4100分光光度计测试得到,2.5-48微米m波段反射光谱由Bruker的 Tensor27傅里叶红外光谱仪测试得到。
[0048] 本发明提供的太阳光谱选择性吸收涂层,具有以下优点:(1)采用的膜系结构由下至上依次为金属W膜、铬铝氧化物主吸收层、铬铝氧化物亚吸收层、减反层SiO2,各层折射率依次降低,消光系数也依次降低,从而能够降低选择性吸收涂层对入射光的反射作用,提高所述选择性吸收涂层对光的吸收率。所得涂层的吸收率α > 
95 %,辐射率ε < 4%(80)。
[0049] (2)吸收层采用铬铝氧化物复合材料,减缓了在高温时氧在各层间的扩散,提高了涂层在中高温大气环境下的热稳定性。
[0050] (3)吸收层采用金属CrAl氧化物,且都是以化合物的形式存在,使用材料价格便宜、制备简单、易于大规模生产。
[0051] 以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
[0052] 对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的得同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0053] 以上所述,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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