CN105970177A - 一种碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，属于太阳能利用技术领域。该涂层依次包括吸热体基底，吸收层和减反射层。所述吸收层的材料为碳化钛，厚度为60‑100 nm。所述减反射层为氧化铝膜，厚度为50‑100 nm。本发明制备的涂层在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率为≥0.90，发射率≤0.13；该涂层具有很好的高温稳定性，可长期在600 oC的真空环境下使用。该涂层具有良好的抗腐蚀性能和优异的光学性能，在太阳能中低温领域具有重要的应用价值。本发明制备工艺简单，成本较低，在太阳能热利用和热发电领域具有广阔的实用价值和应用前景。
Description
技术领域
本发明属于太阳能热发电和真空镀膜技术领域，涉及一种高温太阳能选择性吸收涂层，尤其涉及一种碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。
背景技术
太阳能光热发电，也叫聚光太阳能热发电，通过将太阳能直射光聚集起来，转化为热能，从而驱动发电机产生电力。光热发电分为槽式、塔式、碟式、线性菲涅尔式四种，目前投入商业化的是槽式和塔式发电。我国太阳能光热资源丰富，但仅在西北地区，而光热发电可装机潜力约16000兆瓦，年潜在发电量42000兆千瓦时。专家认为，光热发电将是我国新能源领域较具代表性和潜力的产业。大规模发展光热发电替代燃煤火电，将有助于优化我国能源消费结构，尽早解决雾霾问题。
高温太阳能选择性吸收涂层是光热发电的核心材料，其要求具有高的吸收率，低的热发射率及高温稳定性。高的工作温度将有助于提高光热发电效率。金属陶瓷复合型膜系是指在高红外反射率的金属基体表面沉积一种由金属小颗粒嵌入陶瓷介质中所形成的一种涂层。嵌入陶瓷介质中的通常为过渡金属颗粒或合金，这些颗粒要么均匀分布于陶瓷介质中，要么从底层到表层金属颗粒的含量依次降低从而使涂层的折射率成梯度变化。到目前为止，研究人员已经开发了许多性能优良的太阳能吸收涂层，如 Al-AlN、Mo-SiO2、W-A12O3、Cr-Cr2O3、Ni-A12O3、Mo-A12O3、Cr-A12O3、Co-WC、W-Ni-A12O3、Ag-A12O3、Mo-Si3N4、Al-Ni-A12O3、W-Ni-YSZ等。 其中Mo-SiO2 和Mo-A12O3 体系已被意大利Angelantoni-ENEA公司和德国Siemens公司成功商业化推广。然而，对于传统的金属-电介质复合体系，作为填充粒子的金属或金属合金在高温下易发生扩散、氧化、团聚等现象，由此导致吸收涂层光学性能的衰减。而且射频溅射等工艺沉积速率低、掺杂系数难控制、生产周期长、工艺复杂、成本高。
碳化钛是具有金属光泽的铁灰色晶体, 属于 NaCl型面心立方结构, 晶格常数为0.4329 nm, 空间群为Fm3m, 在晶格位置上碳原子与钛原子是等价的, TiC 原子间以很强的共价键结合, 具有类似金属的若干特性, 如高的熔点、沸点和硬度, 硬度仅次于金刚石, 有良好的导热和导电性, 在温度极低时甚至表现出超导性。因此, TiC 被广泛用于制造金属陶瓷, 耐热合金、硬质合金、抗磨材料、高温辐射材料以及其它高温真空器件, 用其制备的复相材料在机械加工、冶金矿产、航天和聚变堆等领域有着广泛的应用。
中国发明专利CN101408354A公开了一种以碳化钛、氮化钛、碳氮化钛为基材制备的防扩散，结构稳定的太阳能选择性吸收涂层。但对于碳化钛高温陶瓷潜在的光谱选择性性能未进一步开发。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对传统太阳能吸收涂层存在的问题以及碳化钛高温陶瓷潜在的光谱选择性性能未进一步开发的问题而提供一种碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层。
本发明的另一目的是提供上述碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法。
一种碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层，依次包括吸热体基底、吸收层和减反射层，所述吸热体基底为抛光不锈钢或铜片，所述吸收层材料为碳化钛，所述减反射层材料为氧化铝。
所述吸收层碳化钛的厚度为60-100 nm。
所述减反射层氧化铝的厚度为50-100 nm。
所述吸收层采用直流磁控溅射方法制备；所述减反射层采用射频磁控溅射方法制备。
上述碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括以下工艺步骤：
（1）吸热体基底的处理：将吸热体基底去除表面附着的杂质后，分别在丙酮和乙醇中分别超声清洗10-20分钟，氮气吹干，真空保存；
（2）吸收层的制备：吸收层碳化钛制备采用直流磁控溅射方法，制备时采用纯度99.99%的碳化钛作为磁控溅射靶材；真空室预抽本底真空至1.0*10-6 -7.0*10-6 Torr；碳化钛靶材的溅射功率密度为4-10 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-80 sccm，沉积碳化钛厚度为60-100 nm；
（3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，控制Al2O3靶材的溅射功率密度在5-10 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-80 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为50-100 nm。
所述吸热体基底为抛光不锈钢片或铜片。
所述在溅射沉积吸收层时其吸热体基底温度为25-350 oC。
所述在溅射沉积减反射层时其吸热体基底温度为25-350 oC。
本发明的太阳能选择性吸收涂层，以高温稳定性良好及具有潜在光谱选择性的碳化钛为吸收层，有效提高了涂层的高温稳定性及光学性能（吸收率和发射率），极大的丰富了碳化钛陶瓷在太阳能产业中的应用。本发明的太阳能选择性涂层由图2可知，该涂层在紫外可见近红外光谱范围内具有低的反射率，在红外光谱范围内具有高的反射率。在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率≥0.90，反射率≤0.13；在高真空度下，经600℃长时间保温后，涂层的吸收率和发射率没有明显的变化。长期盐雾实验结果表明，该涂层具有良好的抗腐蚀性能，如图3所示。
综上所述，本发明制备的涂层具有可见-红外光谱高吸收率，红外光谱低发射率的特点。由于吸收层采用碳化钛高温陶瓷，涂层具有良好的热稳定性能及抗腐蚀性能，适用于中低温，高温（400-600℃）太阳能光热转换系统，用于太阳能热蒸汽发生系统和热发电技术。本发明涂层结构简单，没有红外反射层和掺杂，从而简化了工艺，操作方便，缩短生产周期，降低成本，本发明在太阳能热利用和热发电领域具有广阔的实用价值和应用前景。
附图说明
图1 为本发明碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层的结构图；
图2 为本发明碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层的反射谱图；
图3 为本发明碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层的盐雾试验结果实物照片。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明高温太阳能选择性吸收涂层以及制备及性能作进一步说明。
实施例1
一种碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层，依次包括吸热体基底、吸收层和减反射层，吸热体基底为抛光不锈钢片，粗糙度值为1 nm；吸收层材料为碳化钛，厚度为88 nm，吸收层采用直流磁控溅射方法制备；减反射层材料为氧化铝，厚度为84 nm，减反射层采用射频磁控溅射方法制备。
上述碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括如下工艺：
（1）吸热体基底的处理：选用粗糙度值为1nm的抛光不锈钢片作为吸热体基底。使用前用棉球擦拭表面，除去表面附着的杂质，然后使用不锈钢片分别在丙酮和乙醇溶剂中分别超声清洗15分钟，用氮气吹干，真空保存，待用。
（2）吸收层的制备：采用纯度99.99%碳化钛作为磁控溅射靶材；采用直流磁控溅射技术制备碳化钛，将真空室预抽本底真空至2.4*10-6 Torr；调整碳化钛靶材的溅射功率密度为8.7 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为33 sccm，开始在吸热体基底上沉积碳化钛，其厚度为88 nm；溅射过程中吸热体基底温度为200 oC。
（3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，控制Al2O3靶材的溅射功率密度在6.14 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为33 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为84 nm。溅射过程中吸热体基底温度为200 oC。
该太阳能选择性吸收涂层的光学性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为0.93，发射率为0.10；在高真空度下，经600℃ 长时间保温后，其吸收率为0.93，法向发射率为0.10。
实施例2
一种碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层，依次包括吸热体基底、吸收层和减反射层，吸热体基底为抛光不锈钢片，粗糙度值为0.5 nm；吸收层材料为碳化钛，厚度为60 nm，吸收层采用直流磁控溅射方法制备；减反射层材料为氧化铝，厚度为100 nm，减反射层采用射频磁控溅射方法制备。
上述碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括如下工艺：
（1）吸热体基底的处理：选用粗糙度值为0.5nm的抛光不锈钢片作为吸热体基底。使用前用棉球擦拭表面，除去表面附着的杂质，然后使用不锈钢片分别在丙酮和乙醇溶剂中分别超声清洗10分钟，用氮气吹干，真空保存，待用。
（2）吸收层的制备：采用纯度99.99%碳化钛作为磁控溅射靶材；碳化钛采用直流磁控溅射技术制备，将真空室预抽本底真空至1.0*10-6 Torr；调整碳化钛靶材的溅射功率密度为10W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20 sccm，开始在吸热体基底上沉积碳化钛，其厚度为60 nm；溅射过程中吸热体基底温度为350 oC。
（3）减反射层的制备：以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，控制Al2O3靶材的溅射功率密度在5.0 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为100 nm。溅射过程中吸热体基底温度为350 oC。
该太阳能选择性吸收涂层的光学性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为0.90，发射率为0.13； 在高真空度下，经600℃长时间保温后，其吸收率为0.90，发射率为0.13。
实施例3
一种碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层，依次包括吸热体基底、吸收层和减反射层，吸热体基底为抛光不锈钢片，粗糙度值为3 nm；吸收层材料为碳化钛，厚度为100 nm，吸收层采用直流磁控溅射方法制备；减反射层材料为氧化铝，厚度为50 nm，减反射层采用射频磁控溅射方法制备。
上述碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括如下工艺：
（1）吸热体基底的处理：选用粗糙度值为3nm的抛光不锈钢片作为吸热体基底。使用前用棉球擦拭表面，除去表面附着的杂质，然后使用不锈钢片分别在丙酮和乙醇溶剂中分别超声清洗20分钟，用氮气吹干，真空保存，待用。
（2）吸收层的制备：采用纯度99.99%碳化钛作为磁控溅射靶材；碳化钛采用直流磁控溅射技术制备，将真空室预抽本底真空至7.0*10-6 Torr；调整碳化钛靶材的溅射功率密度为8 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为33 sccm，开始在吸热体基底上沉积碳化钛，其厚度为100 nm；溅射过程中吸热体基底温度为250 oC。
（3）减反射层的制备：以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，控制Al2O3靶材的溅射功率密度在6 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为33 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为50 nm。溅射过程中吸热体基底温度为250 oC。
该太阳能选择性吸收涂层的光学性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为0.90，发射率为0.12； 在高真空度下，经600℃长时间保温后，其吸收率为0.90，发射率为0.13。
实施例4
一种碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层，依次包括吸热体基底、吸收层和减反射层，吸热体基底为铜片；吸收层材料为碳化钛，厚度为88 nm，吸收层采用直流磁控溅射方法制备；减反射层材料为氧化铝，厚度为84 nm，减反射层采用射频磁控溅射方法制备。
上述碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括如下工艺：
（1）吸热体基底的处理：选用铜片作为吸热体基底。使用前用棉球擦拭表面，除去表面附着的杂质，然后使用不锈钢片分别在丙酮和乙醇溶剂中分别超声清洗20分钟，用氮气吹干，真空保存，待用。
（2）吸收层的制备：采用纯度99.99%碳化钛作为磁控溅射靶材；采用直流磁控溅射技术制备碳化钛，将真空室预抽本底真空至2.1*10-6 Torr；调整碳化钛靶材的溅射功率密度为4.0W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为80 sccm，开始在吸热体基底上沉积碳化钛，其厚度为88 nm；溅射过程中吸热体基底温度为25 oC。
（3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，控制Al2O3靶材的溅射功率密度在10W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为80sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为84 nm。溅射过程中吸热体基底温度为25oC。
该太阳能选择性吸收涂层的光学性能如下：在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为0.93，发射率为0.09。
Claims (10)
1.一种碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：依次包括吸热体基底、吸收层和减反射层，所述吸热体基底为抛光不锈钢片或铜片，所述吸收层材料为碳化钛，所述减反射层材料为氧化铝。
2.根据权利要求1所述的一种碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述吸收层碳化钛的厚度为60-100 nm。
3.根据权利要求1或2所述的一种碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述减反射层氧化铝的厚度为50-100 nm。
4.根据权利要求1或2所述的一种碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述吸热体基底抛光不锈钢片的粗糙度值为0.5-3 nm。
5.根据权利要求3所述的一种碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述吸热体基底抛光不锈钢片的粗糙度值为0.5-3 nm。
6.根据权利要求1或3所述的一种碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层，其特征在于：所述吸收层采用直流磁控溅射方法制备；所述减反射层采用射频磁控溅射方法制备。
7.根据上述任一权利要求所述的一种碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于包括以下工艺步骤：
（1）吸热体基底的处理：将吸热体基底去除表面附着的杂质后，分别在丙酮和乙醇中分别超声清洗10~20分钟，氮气吹干，真空保存；
（2）吸收层的制备：吸收层碳化钛制备采用直流磁控溅射方法，制备时采用纯度99.99%的碳化钛作为磁控溅射靶材；真空室预抽本底真空至1.0*10-6 -7.0*10-6 Torr；碳化钛靶材的溅射功率密度为4-10 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-80 sccm，沉积碳化钛厚度为60-100 nm；
（3）减反射层的制备：吸收层制备完毕后，以纯度99.99%的Al2O3作为磁控溅射靶材，控制Al2O3靶材的溅射功率密度在5-10 W/cm-2，溅射沉积时氩气的进气量为20-80 sccm，采用射频磁控溅射在吸收层上溅射制备减反射层，厚度为50-100 nm。
8.根据权利要求7所述一种碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于：所述吸热体基底为抛光不锈钢片或铜片。
9.根据权利要求7或8所述一种碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于：所述在溅射沉积吸收层时其吸热体基底温度为25-350 oC。
10.根据权利要求7或8所述一种碳化钛基高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，其特征在于：所述在溅射沉积减反射层时其吸热体基底温度为25-350 oC。
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