技术领域
[0001] 本
发明涉及一种本发明涉及一种尤其是用于
太阳能收集器元件的可
激光焊接的复合材料，所述复合材料包括带状的、由对激光射线具有高反射性能（ ）的金属制成的基体（ ），所述基体具有第一面和第二面，其中，至少在第一面上具有陶瓷涂层。
背景技术
[0002] 欧洲
专利申请文件EP 2 239 086A1公开过这样一种复合材料。在该专利申请文件中记述了一种将复合材料与一
工件利用激光焊接到一起的公知方法，该方法尤其用来制造太阳能收集器元件，其中，所述复合材料包括采用对激光射线具有高反射性能的金属制成的带状基体，该带状基体具有第一面和第二面，且至少在第一面上具有陶瓷涂层，此外，为制成
焊缝，需将
激光束至少投射到所述基体的配置有陶瓷涂层的第一面上，而且激光束的定向
角需呈锐角形式。另外，该专利申请文件还记述了一种用在此种方法中的可激光焊接的复合材料。相对于在EP 2 239 086A1所援引并推崇的EP 1 217 315B1、US 300591B1、DE 38 27 297A1以及US 4 023 005中已公开的方法，为了在保持复合材料高功能性且制造成本尽可能节省的情况下，提升焊接工艺的效率，在EP 2 239 086A1中是这样设计的，即，陶瓷涂层的厚度在140nm至210nm的范围内，而且激光束需以大小在2°至50°的定向角入射，从而使激光束的入射
能量中至少有15%能够被吸收。
[0003] 这里需要注意的是，与激光焊接时发生在复合材料的表面上的现象一样，当光线照射到一个物体上，入射的光线会被分成反射部分、吸收部分与透射部分。为此，不仅在复合材料的第一面上，而且在第二面上均有该复合材料特有的反射率（Reflexionsgrad）（反射能
力）、吸收率（Absorptionsgrad）（吸收能力）和透射率（Transmissionsgrad）（透射能力）。反射能力、吸收能力与透射能力是光学特性，对于同种材料而言，这些光学特性会根据入射光线
波长的不同（例如紫外光区、可见光区、红外光区以及热
辐射区）而具有不同的值。为确保能量的高效利用，对于此种材料而言，在激光射线的波长范围（典型的是1.06μm，更精确地说，1064nm）内，要求第一面上具有最大的吸收率。如果该复合材料的透射率为零，那么其反射率与吸收率之和将是100%。因此，EP 2 239 086A1中公开的复合材料的第一面上的反射率最小为85%。
[0004] 这样，与其它的同类方法相比，激光焊接方法已达到了较高的效率，不过该效率尚有提高的空间。对于目前实际采用的几乎所有应用CO2激光系统和Nd:YAG激光系统的方法（EP 2 239 086A1中也描述了这一方法）来说，其激光束的典型波长为1.06μm，在这一波长下，市面上的未经加工的
铝以及为
太阳能吸收器所用的经过
钝化的铝仅会反射入射激光能量的大约90%。
发明内容
[0005] 本发明的基本目的在于提供一种本文开头所述类型的复合材料，特别是用于太阳能收集器元件的复合材料，在利用激光对此种复合材料进行焊接时，此种复合材料在具有更好的功能性和尽可能低的生产成本的同时，确保能够进一步提高生产工艺的效率。
[0006] 根据本发明，这一目的是这样实现的：从基体出发看去，在陶瓷涂层上具有金属层，而且对陶瓷涂层的厚度和金属层的厚度的大小进行设计，以使得在波长为1064nm的入射激光光束以大小在65°到80°的入射角入射时，在基体的第一面上的按照DIN 5036第三部分确定的总反射率小于60%。
[0007] 令人惊讶的是，
发明人发现与公知的复合材料相比，采用具有根据本发明的层系统的复合材料可将激光焊接时吸收的能量提高数倍。
[0008] 此外，特别地，在基体的第一面上的陶瓷涂层的厚度可在20nm至135nm的范围内，位于所述陶瓷涂层之上的金属层的厚度可在5nm至25nm的范围内。
[0009] 如果各层的尺寸处在相应的上述范围内，那么波长为1064nm的激光射线在基体的第一面上的按照DIN 5036第三部分确定的总反射率可优选小于50%，特别优选40%。这就是说，对激光射线的吸收率至少为50%或60%，这是有益的。通过将层厚度在根据本发明的范围内稍加改变，则也可以在其它波长下（假如在希望采用诸如氩气
激光器（波长488nm或515nm）或钬-YAG激光器（波长2123nm）等其它激光器时需要的情况下）以同样的方式使吸收最大化。
[0010] 在优选的实施方式中可将陶瓷涂层设计成基本上由
氧化铝制成。若复合材料的基体也由铝制成，那么可用工艺学上有利的方式，使陶瓷涂层的氧化铝尤其由基体上的经
阳极氧化或经
电解抛光且阳极氧化的铝形成。
[0011] 金属层可优选包含铬和/或
钛或者完全由这些材料制成。层的厚度可优选落在10nm至20nm的范围内，尤其是为15nm。金属层可以用工艺学上有利的方式，以连续的
真空带状涂覆法施加到陶瓷涂层上。
[0012] 因此根据本发明的复合材料可构造卷材，尤其是宽度可达1600mm，而厚度在大约0.1mm至1.5mm的范围内，优选在大约0.2至0.8mm的范围内的卷材，并且该复合材料的所有的层均可在连续进行的工艺中辊对辊（卷对卷）地加工而成。
[0013] 此外，根据本发明的复合材料（尤其是当此复合材料要被用来制造太阳能收集器元件时）在基体的第二面上可具有光学有效的多层系统，该多层系统包括至少两个层，优选包括至少三个层。
[0014] 在基体上，可在光学多层系统之下设计
中间层，该中间层一方面可确保对基体提供机械防护和防
腐蚀保护，另一方面又可确保能够与光学多层系统具有高的粘合性（Haftung）。在这里，中间层同样可以是一陶瓷层，但其位于基体的第二面之上，并尤其可以与位于基体的第一面之上的陶瓷涂层一样的方式制造而成。
[0015] 如果采用包括至少三层的光学有效的多层系统，则最上层可以是绝缘层，中部的层可以是主要起吸收可见光作用且优选含有铬氧化物的层，而最下面的层则可用金、
银、
铜、铬、铝和/或钼制成。 是公知的这样一种在铝质基体之上的层系统；通过本发明，能够在不损害其极佳光学特性的同时，显著改善其在激光焊接方面的性能。
[0016] 为制造太阳能收集器元件或者说吸收器部件，带有例如由铝制成的基体材料的根据本发明的复合材料（在第一基体面上有由氧化铝制成的陶瓷层并且金属层）可以通过激光焊接的方式与例如一由铜制成的管子连接在一起。此时，将形成一材料适配（stoffschlüssig）的连接，这种连接一方面通过在
熔化步骤中熔化并再次变硬的铝形成，另一方面通过铝向铜中的迁移形成。对于焊接，可以采
用例如具有足够功率的CO2-YAG激光器或Nd-YAG激光器的射线进行。
[0017] 特别地，管子与吸收器部件可沿着它们的
接触位（Stoβstelle），通过在管子两侧延伸的、由脉冲焊接工艺而形成的点状焊缝连接到一起。在这种情况下，当激光功率和脉冲
频率确定时，需要注意的是，焊点的大小首先取决于导热率，而且，表面
温度、照射时间、吸收器部件的厚度以及材料性质是相互影响的因素。在熔化深度与激光的
平均功率之间存在比例关系。由于根据本发明的复合材料的吸收能力有了提升，因此与已经基本公知的方法（对此，完全可参阅EP 2 239 086A1与EP 1 217 315B1）相比，焊接过程中可显著节省功率。
[0018] 本发明的其他有利实施方式包含在各从属
权利要求以及随后的详细说明中。
附图说明
[0019] 下面，通过在附图示出的两个
实施例对本发明作详细阐述。其中：
[0020] 图1是根据本发明的可激光焊接的复合材料的第一实施例的原理剖视图；
[0021] 图2是根据本发明的可激光焊接的复合材料的第二实施例的原理剖视图；
[0022] 图3示出了根据本发明的可激光焊接的复合材料的第三实施例的反射率与入射光线的波长之间的关联性，并且还示出了一公知的（非根据本发明的）比较材料的反射率与入射光线之间的关联性作为参照；
[0023] 图4示出了根据本发明的可激光焊接的复合材料的第四实施例的反射率与入射光线的波长之间的关联性，并且还示出了一公知的（非根据本发明的）比较材料的反射率与入射光线之间的关联性作为参照；
[0024] 图5示出了根据本发明的可激光焊接的复合材料的第三实施例的反射率与入射光线的入射角之间的关联性。
[0025] 附图标记
[0026] 1 基体
[0027] 2 基体1上的中间层，面B上的陶瓷层
[0028] 3 光学有效的多层系统
[0029] 4 多层系统3的红外反射层
[0030] 5 多层系统3的起吸收可见光作用的层
[0031] 6 多层系统3的上层
[0032] 7 基体1（面A）上的陶瓷层
[0033] 8 陶瓷层7（面A）上的金属层
[0034] A 基体1的第一面（带有陶瓷层7，金属层8）
[0035] B 基体1的第二面（带有中间层2，多层系统3）
[0036] D 复合材料V的（总）厚度
[0037] D1 基体1的厚度
[0038] D2 中间层2的厚度
[0039] D3 多层系统3的厚度
[0040] D4 红外反射层4的厚度
[0041] D5 起吸收可见光作用的层5的厚度
[0042] D6 上层6的厚度
[0043] D7 陶瓷层7的厚度
[0044] D8 金属层8的厚度
[0045] L 激光束
[0046] N 复合材料V的法向量
[0047] R 反射率
[0048] R0 比较材料的反射率R的曲线
[0049] RV 复合材料V的反射率R的曲线
[0050] V 复合材料
[0051] α 入射角
[0052] λ 波长
具体实施方式
[0053] 对于后面的描述，需要强调的是：本发明并不限于这些实施例，因此也不限于所描述之特征组合中的全部或多个特征；实际上，任一实施例中的每一单个子特征在与其他所有结合在一起描述的子特征分开时，无论是单独存在，还是与另一实施例中的任一特征相组合，都依然具有发明意义。
[0054] 在不同附图中，同样的部件，或者尤其是起同样功能的层均被配以同样的附图标记，因而在下文中一般只说明一次。
[0055] 首先如图1所示，根据本发明的可激光焊接的复合材料V（尤其可用于制造太阳能收集器元件）的第一实施例包括带状的金属基体1。该基体具有第一面A和第二面B。
[0056] 在基体1的第二面B上有可以选择存在的中间层2和施加在该中间层2上的、可以选择存在的光学多层系统3，所述多层系统包括至少三个层4、5、6。在该光学有效的多层系统3中，最上层4是绝缘层，中部的层5是主要起吸收可见光作用的层，而最下层6则是一金属红外反射层。
[0057] 最上层4尤其可以是折射率n＜1.8的氧化层、氟化层、硫化层、氮化层、氧氮化层和/或
碳氧氮化层（carboxynitridische Schicht）。它尤其可以是化学成分为TiOz、SiOw或SnOv的钛、
硅或
锡的氧化层，其中，下标v、w和z分别表示了氧
化成分的化学计量或非化学计量比，并且处于以下范围内：1
[0058] 中部的主要起吸收可见光作用的层5可尤其包含化学成分为CrOr的氧化铬和/或化学成分为CrNs的氮化铬和/或化学成分为CrOrNs的氮氧化铬，其中下标r与s分别表示化学计量或非化学计量比，并且0＜r和/或s＜3。这一层5也可以选择包含其它金属（而不是铬）的氟化物、硫化物、氮化物、氮氧化物和/或碳氧氮化物。它的厚度D5尤其可以落在0.01μm至大约1μm的范围内。
[0059] 光学多层系统3的最下层6可优选由金、银、铜、铬、铝和/或钼制成。它尤其可具有一最小3nm，最大约500nm的厚度D6。
[0060] 在基体1的第一面A上存在一陶瓷涂层7，根据本发明，该陶瓷涂层的厚度D7落在20nm至135nm的范围内，同时，在陶瓷涂层7的那一背向基体1的面（示图中位于陶瓷涂层
7的下部）上还设计有一厚度D8在5nm至25nm的金属层8。
[0061] 陶瓷涂层7的厚度D7可优选落在40nm至95nm的范围内，而金属层8的厚度D8则可优选在10nm至20nm的范围内，并特别优选15nm。金属层8可包含铬和/或钛或者完全由这些材料制成。
[0062] 在基体1的第一面A上的陶瓷涂层7可基本上由氧化铝制成，其中，根据本发明的复合材料V的基体1由铝制成时。这样，陶瓷涂层7的氧化铝可优选由基体1的铝经阳极氧化或经电解抛光且经阳极氧化而形成。
[0063] 位于基体1的第二面B上的中间层2也可优选是陶瓷涂层2，而且尤其可用与位于基体1的第一面A上的陶瓷涂层7一样的方式制造而成。在前述情形下，即，在基体的第一面A上的陶瓷涂层7由氧化铝制成，所述氧化铝是由基体1的铝经阳极氧化或经电解抛光且经阳极氧化而形成的，则可以在形成基体1的第一面A上的陶瓷涂层7的工序中有利地同时形成在基体1的第二面B上的陶瓷涂层2。基体1的第二面B上的陶瓷涂层2的厚度D2尤其是可小于135nm，尤其是落在3至95nm的范围内，优选落在15nm至45nm的范围内。
[0064] 如图2进一步示出的那样，根据本发明的可激光焊接的复合材料V的第二实施例同样包括一带状金属基体1，该基体1具有一带有陶瓷涂层7的第一面A和第二面B。根据本发明，在这里也是这样设计的，即，基体1的第一面A上的陶瓷涂层7的厚度D7落在20nm至135nm的范围内，而且在陶瓷涂层7的那一背向基体1的面上还存在一厚度D8在5nm至25nm的金属层8。
[0065] 此外，与本发明的第一实施例一样，在基体1的第二面B上也有一陶瓷涂层2，该陶瓷涂层尤其形成中间层2，而且在该中间层之上，在基体1的第二面B上存在一光学有效的多层系统3，不过该多层系统仅由至少两个层4、5形成。
[0066] 该多层系统同样涉及一上部层4与一位于该上部层之下的主要起吸收可见光作用的层5，所述上部层4可以是折射率n＜1.8的氧化层、氟化层、硫化层、氮化层、氧氮化层和/或碳氧氮化层，而所述层5在本例中形成最下层。这一层5尤其可含有钛铝混合氧化物（Mischoxid）TiAlqOx和/或钛铝混合氮化物（Mischnitrid）TiAlqNy和/或钛铝混合氮氧化物(Mischoxynitrid)TiAlqOxNy，其中，下标q、x和y分别表示化学计量或非化学计量比，且处于以下范围内：0＜q和/或x和/或y＜3。使复合材料带有这样的层，如使之带有按照本发明第一实施例所述的含铬的层5，将使复合材料特别适用于太阳能吸收器，其出众之处在于制造简便，而且具有较高的
光谱选择性。
[0067] 在两个实施例中，基体1的第一面A上的金属层8以及在另一基体面B上的光学多层系统3的所有层均可优选为溅射层，尤其是通过反应
溅射法形成的层，
化学气相沉积层（CVD层）或
等离子体增强化学气相沉积层（PECVD层）或者通过
蒸发，尤其是通过用
电子轰击或用热源所导致的蒸发而形成的层，并且优选在真空状态(Vakuumfolge)下以连续的工艺形成并尤其施加到陶瓷涂层2、7之上。金属钛/铬（Ti/Cr）层8的施加例如可优选通过使用最多两个平板状
磁控管来实现。
[0068] 对于同样本发明第二实施例中的在基体1与光学有效的多层系统3之间存在的中间层2需特别强调的是：当该中间层2位于一铝质基体之上且由氧化铝制成时，那么不管下方的光吸收层5是否包含钛铝混合氧化物TiAlqOx和/或钛铝混合氮化物TiAlqNy和/或钛铝混合氮氧化物TiAlqOxNy，也不管上方的层是否是化学成分为TiOz、SiOw或SnOv的钛、硅或锡的氧化层，中间层的厚度D2应不大于30nm，这一特征是很重要的。在这里，上层只需是折射系数小于1.7的绝缘层就足够了。当然，上层的折射系数也可以更大，例如对于氧化锌层而言，其可以是大约1.9，或者对于二氧化钛层，则可以为2.55（锐钛矿）或2.75（金红石）。
[0069] 令人吃惊的是，当中间层2用氧化铝制成，且该氧化铝层仅具有极小的厚度，即其厚度落在不大于30nm的范围内，尤其是落在至少3nm的范围内，优选落在15nm至25nm的范围内时，该中间层不但能够起到为基体1提供公知的机械保护和抗腐蚀防护的作用，能够确保将置于其上的光学多层系统3很好地粘合住，而且由此还将使该中间层2与基体1本身也变得光学有效。这样，中间层2有利地拥有了高的透射能力，而且基体1也拥有高的、因该中间层2的透射而变得有效的反射能力，因而可以省去第一实施例的光学多层系统3的最下层的金属层6，而不会使效率受损。这样，一方面节省了用于涂抹一个层的工艺步骤，另一方面又节约了材料，尤其是节约了最下侧金属层优选采用的、众所周知的贵金属金和银以及同样成本不菲的钼。
[0070] 例如，利用光学有效的多层系统3的上述两个实施例就可以制造出根据本发明的复合材料V，在这一复合材料中，基体1的第二面B上的按照DIN5036第三部分确定的吸收率在约300至2500nm的波长范围内具有最大值且该最大值大于90%，并在大于2500nm的波长范围内具有最小值且该最小值小于15%。在光学多层系统3的第二面B上，按照DIN 5036第三部分所确定的光线总反射率小于5%。
[0071] 图3和4中示出的图表反映出了根据本发明的可激光焊接的复合材料V的第三和第四实施例的反射率R与入射光线L的波长之间的关系，作为参照，图中还示出了一种公知的、并非根据本发明的比较材料的反射率与入射光线的波长之间的关系，在图中，曲线RV表示根据本发明的复合材料V的反射率R，而曲线R0则表示所述比较材料的反射率R。
[0072] 根据本发明的复合材料V的第三实施例涉及这样一种复合材料，即在铝制基体1的第一面A上沉积有一成分为Al2O3且厚度D7为95nm的陶瓷涂层7，而且在该陶瓷涂层7上直接沉积有一成分为铬且厚度D8为10nm的金属层8。而根据本发明的复合材料V的第四实施例则涉及这样一种复合材料，即在铝制基体1的第一面A上沉积有一成分为Al2O3且厚度D7为40nm的陶瓷涂层7，而且在该陶瓷涂层7上直接沉积有一成分为铬且厚度D8为20nm的金属层8。在比较材料中，铝制基体1的第一面A上沉积有成分为Al2O3且厚度D7为
95nm的陶瓷涂层7。
[0073] 从绘制的示图中可知，入射光线L的入射角α被测定为由激光束L与在基体1的表面上作出的铅垂线，亦即法向量N的夹角α。在各个例子中，激光束L的入射角α均为75°。
[0074] 可以看出，对于图3所示之根据本发明的复合材料V来说，当激光射线L的波长λ为1064nm时，其基体1的第一面A上的按照DIN5036第三部分确定的总反射率R小于50%，且尤其约为40%。而在同样的条件下，比较材料的反射率R要高出约50%，大约为90%。如图3所示，在波长λ的整个试验范围内，根据本发明的复合材料V的反射率R在约48%（波长为500nm时）与42%（波长约为1200nm时）之间变动，其中，大约在波长λ为1000nm时，反射率R达到其最小值，即40%。
[0075] 对于图4中示出的根据本发明的复合材料V来说，在激光射线的波长λ为1064nm时，其基体1的第一面A上的按照DIN5036第三部分确定的总反射率R同样小于50%，但是，在500nm至1200nm的波长λ范围内，图4所示的复合材料的总反射率R平均要比图3所示之复合材料的总反射率R高出约5%至8%。
[0076] 图5示出了根据本发明的可激光焊接的复合材料V的第三实施例的反射率R与入射的激光束L的入射角α之间的关系，图中示出的关系是在波长λ为1064nm的情况下确定得出的。因此，图5中用圆圈标识的反射率R的值与图3中用同样方式标识的值相同。当角α在65°至80°的范围内变化时，反射率R从大约30%开始连续升高，直至大约40%。就角度关联性而言，图4中示出的试验显示出了同样的特性，在这里，反射率R的值（就像前文提到的那样）向上推移约不到10%。
[0077] 本发明不限于所描述的实施例，而是包括所有在本发明的意义上具有相同作用的方式和措施。例如，中间层2的陶瓷涂层也可以不用氧化铝，而用其它材料制成。对于在根据本发明的复合材料V所涉及的在本发明的范围内的光学多层系统3的可能有利构造与理想工艺学方法，其具体细节可完全参考专利申请文件EP 1 217 394B1、EP 1 217 315B1、EP2 239 086A1、EP 2 336 811以及WO 2011/076448A1。
[0078] 另外，本发明也不限于在权利要求1中限定的特征组合，其也可以被定义为由已全部公开的单个特征中的一定特征组合而成的任何其他组合。这意味着，原则上并在实践中，权利要求1中所述的每一个单个特征都可以删去，或者说，权利要求1中所述的每一个单个特征都可以被在本申请中其他地方所公开的至少一个单个特征所取代。尤其对在根据本发明的复合材料中存在的层来说，其作为范例阐述的层序（在所描述的层序中，各层彼此直接邻接并用相同的材料制成）并不排除如下可能性，即，在层系统中可以继续设置另外的中间层、上层和/或下层，或者说，基体1的第一面A上的层和/或子层，尤其是金属层8以及基体1的第二面B上的红外反射层4和主要起吸收可见光之用的层5本身亦被构造成多层。就此而言，权利要求1只可被理解为对于一个发明的一种最初表述尝试。
