[发明专利]一种纳米复合Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜材料领域，特别涉及一种纳米复合Cr-Al-O太阳光谱选择吸收涂层及其制备方法。

背景技术

在太阳能光热转换装置中，首先要使太阳辐射转换成热能，能够实现这种功能的部件就是太阳能集热器。该部件核心的部分是太阳光谱选择吸收涂层。这种涂层吸收太阳光谱紫外到近红外范围内的大部分光波，而在红外波段则是透过的，将涂层沉积在金属基底上可利用其高红外反射的特性将红外波反射掉。这样设计的目的是尽可能避免因涂层吸收红外光波而带来高的热发射率，造成热能损失，尤其随涂层工作温度的升高，这部分热损失就越严重。因此涂层的性能的好坏决定太阳能光热转效率的高低。

涂层的光谱选择吸收特性是其性能评价的最要因素。在上世纪60-80年代研究这种涂层的初期，研究者大都采用在高反射金属基底沉积单一吸收层的设计概念，这种结构的涂层的吸收比在0.8以下，发射在0.1左右；增加减反射层后涂层的吸收比可提高到0.85，而对其发射率没多大影响。但还不能满足实际应用对高的光热转换效率的要求。到了上世纪90年代，随着计算机技术的发展，研究者通过理论计算发现可通过吸收层的成分渐变来实现涂层的光学层数的渐变，这种涂层的吸收比可高达0.9，大大促进了太阳光谱选择吸收涂层的研究。但是这种结构的涂层由于成分渐变造成其在1500-2500nm波段的高吸收到高反射转变的过于缓慢，导致其发射率高于0.2而不能满足实际的应用要求。本世纪出，研究者提出了四层结构的设计概念，即在基底先沉积一层高红外反射金属以降低涂层的发射，再在其上面依次沉积两层吸收层，其中的低金属含量层叠在高金属含量层上，以大量吸收太阳辐射，最后再沉积一层电介质层以降低涂层对太阳辐射的反射。这种涂层的吸收机理有两种：一种是本征吸收，主要是通过高金属含量的两吸收层实现；一种是干涉相消吸收，主要是通过四层结构的组合后的在太阳辐射波段的干涉相消效应实现。根据该设计概念制备的涂层吸收比高达0.95而发射率在0.2 以下，可以满足实际应用的要求。而且同时期的纳米材料的微结构研究也发现，高金属含量的吸收层是由纳米尺度的金属颗粒镶嵌在金属氧化物电介质的基体上构成。这种复合材料对太阳辐射大量吸收是由纳米金属颗粒表面的大量电子在入射光的电磁场作用产生强烈的振荡而引起的，也就是表面等离子振荡吸收作用。这大大方便研究者制备太阳光谱选择吸收涂层。

目前电化学镀技术和物理气相沉积技术是制备选择吸收涂层的主要技术。采用电化学镀技术中的电镀技术，已成功制备出黑铬和黑镍涂层，具有良好的选择吸收性；电化学镀技术中的另外一种技术是电化学转化法，其中最成熟的工艺是铝阳极氧化膜，这种涂层是无色透明的多孔膜，具有很高的吸收比和很低的发射率。但电化学法制备的涂层热稳定性差，并且其环境污染问题还没有有效的解决办法，该方法正被逐渐被淘汰，取代的方法是物理气相沉积技术。应用于制备太阳光谱选择吸收涂层的物理气相沉积技术主要是蒸镀技术和磁控溅射技术。最先使用的方法是蒸镀技术，在红外高反射金属表面沉积一层半导体薄膜，由于半导体大量吸收其吸收限波长以下的光波，对吸收限波长以上的光波则是透明的，金属基底对透过半导体层的光波高反射，从而实现对太阳光谱的选择吸收。但蒸镀技术也存在不足，由于沉积的涂层均匀性差，这种方法不适合大面积沉积太阳光谱选择性吸收涂层，并且沉积速率难以控制和涂层中出现大量的针孔，影响涂层的质量，限制了这种技术的广泛应用。在制备太阳光谱选择吸收涂层的丛多技术中，磁控溅射技术是最成熟的也是应用最广泛的技术。该技术制备的涂层厚度可以控制，可以结合理论计算结果进行涂层的制备。采用有效介质理论和计算机模拟技术，通过数值优化，可以计算出具体涂层材料获得最佳选择吸收性的光学参数和厚度，然后利用该技术厚度可控的优势制备出涂层。该方法制备的涂层的吸收比高达0.9，发射率低于0.2，在真空中具有较好的热稳定性；已在太阳能热水系统和其他中低温太阳能利用领域实现商业化应用。但该方法由于溅射金属原子的离化率低，制备的涂层中金属成分价态低，在空气中进一步氧化，造成其热稳定性差（低于400℃），涂层在400℃以上的空气中短时保温出现吸收比大幅度下降发射率大幅度升高及由于应力作用产生裂纹甚至剥落的现象，说明涂层的热稳定性和高温附着力较差，限制其在中高温空气环境中的应用；并且该方法的沉积速率较慢，这增加了涂层的制备周期，增加了成本。因此，寻求一种既无环境污染又保持涂层的高吸收和低发射特性且在高温下具有较好涂层附着力的制备工艺是一个急需的课题，同时寻找具有更高热稳定性的新材料也成为一个热点问题。