[发明专利]包埋镧铝合金纳米团蔟的金属陶瓷太阳能吸收涂层及方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能光热吸收薄膜技术领域，特别涉及将具有高熔点特性之稀土金属-金属合金(RE-M)生成的纳米团蔟包埋在氮化物金属陶瓷中的新型光热功能薄膜及其制备技术。

背景技术

氮化物或氧化物金属陶瓷薄膜具有优异的光学性能，如：TiO₂，AlN，Al₂O₃，TiN等等，各自具有特定的光谱性能。像TiO₂薄膜对紫外光吸收，而可见光可以通过；TiN和AlN等薄膜对太阳光谱是完全透明的。

氮化物或氧化物金属陶瓷薄膜虽然各自有特定的光谱性能，但是，通过特殊的处理，采用掺杂、离子注入、包埋选定的元素团蔟等等手段，可以改变金属陶瓷薄膜的光学性能。

目前大批量生产的商用太阳能选择性吸收薄膜基本上有两种方法，这两种方法都是基于金属陶瓷薄膜包埋金属纳米团簇的原理，均采用磁控溅射方法实现。

一种是称为铝-氮-铝(Al-N-Al)的太阳能选择性吸收薄膜，它是金属铝元素按照设定的比例包埋在氮化铝金属陶瓷中。

由这种选择性吸收薄膜为主制备的太阳能集热器涂层结构为：在基体上制备铜(Cu)或铝(Al)金属反射层薄膜，其上制备氮化铝包埋铝金属纳米团簇(Al-N-Al)的金属陶瓷选择性吸收薄膜层，最后是氮化铝(AlN)减反射薄膜层。这种组合涂层对300nm至红外光谱具有选择性吸收性能，在太阳辐射区域有强烈的吸收。

该组合涂层使用两靶或单靶溅射炉生产(采用铜反射层时使用铜、铝两只靶，若用铝为反射层时，使用一只铝靶即可)，一只铝靶在一定量的氮气条件下的反应溅射可以生成氮化铝包埋铝金属团簇的金属陶瓷薄膜，而要得到纯净的氮化铝窗口层，只需改变提供氮气的气量，用同一只铝靶就可以完成，该铝靶或另加一只铜靶可以用来制作铝反射层或铜反射层。

以上复合涂层制备方法较为简单，工艺也成熟，铝的溅射速率较高因而相应的生产效率也较高。制备的涂层对太阳光谱具有较好的吸收性能。但这种涂层不具备高温下的热稳定性，涂层使用温度局限在150℃左右，主要受限于铝-氮-铝(Al-N-Al)的太阳能选择性吸收薄膜。

另一种是96102331.7发明专利公开的一种太阳能选择性吸收涂层及其制法，其吸收涂层由金属陶瓷组成，该金属陶瓷是在混合气体介质中由多种金属电极同时溅射在红外反射金属上，其中第二金属电极和介质中的活性气体反应，第一金属电极则不与活性气体反应。其制作方法由以下步骤组成：

(a)用非反应溅射工艺把一种红外反射金属层沉积在一种基底材料上；

(b)在反射金属层上沉积一种太阳能吸收涂层，

该吸收涂层沉积为金属陶瓷，金属陶瓷则是在至少有一种活性气体的混合气体介质中由第二金属电极与介质中的活性气体反应和第一金属电极不与活性气体反应同时溅射而形成的。

第一电极选择钨、钨合金、不锈钢、镍、镍合金、镍合金、镍铬合金、铂、铱、锇、钌、铑、徕、钼、钼合金及金。第二电极从铝和镁中选取。金属陶瓷在氮气(N)和一惰性溅射支持气体存在下由第一、第二电极共同溅射而形成。反射金属层由包含下述金属组的金属沉积而成：铝、钨、铜、金、银和钼。

该专利称提供了制备热稳定性好的中高温太阳能选择性吸收涂层的途径，其涂层具备高温热稳定性。但是该专利选择高熔点金属作为靶材(可称之为“高熔点金属包埋技术”)，而高熔点金属价格比较昂贵，生产设备复杂，其溅射速率低、溅射能耗高、金属材料的冶炼和靶材加工难度大。

除了上述的两种涂层外，多年来人们还研制了氧化铬、铬-氮、铬-碳、钛-碳、钛-氮-碳、锆-氮-碳、镍-碳、镍-氮、钼-碳、不锈钢-碳等复合薄膜，其中有几种也已作为太阳能集热涂层用于商业化生产，但规模不大。

现有技术中还有一种太阳能真空管开水器(ZL95226359.9)，其吸收涂层选用稀土铝硅合金及其化合物。

稀土铝硅合金是常用于机械、铸造以及电线电缆行业的一种以铝、硅为主要成分的锻造和铸造用金属合金材料，硅含量范围在10-30％，常用硅含量为11％、稀土含量为0.5-2％、微量的铜、铁、镍，其余为铝。材料的密度2.6～2.7g/cm3，导热系数101～126w/m.℃，杨氏模量71.0GPa，冲击值7～8.5J，疲劳极限±45MPa。