[发明专利]金属-陶瓷复合材料的薄层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及包含金属纳米颗粒的金属-陶瓷复合材料的薄层的制备方 法，以及所述方法的应用。

背景技术

在高效太阳能集热器中，来自太阳能吸收器表面的几乎全部太阳光谱 都被转化为热能。吸收器表面以及与之相连的管道向流过所述管道的诸如 水的载热流体散发热量。

吸收器表面是太阳能集热器的最重要部件。通过使用光谱选择性吸收 器，这种集热器可以实现很高的光热转化率。这种表面对地球上的太阳光 谱中的辐射表现出优良的吸收，同时强烈地反射热波长，也就是说，它们 仅仅辐射出少量被吸收的热量。由于没有显示所述表面性质的天然材料存 在，因此必须用专门的涂层来产生选择性。

通常，可通过吸收器-反射器串联来获得吸收器光谱选择性的效果。对 ＜2.5μm的波长具有低反射(高太阳能吸收)并且能透过IR范围内热波长的 吸收层被置于对＞2.5μm波长具有高反射(低的热发射率)的金属表面上(图 1)。从而，吸收层确保在对热发射率影响最小的情况下具有最大的太阳能吸 收，而该热发射率由反射器层或金属衬底主导。许多位于金属衬底上的金 属陶瓷复合层都显示出这种光学特性。

普通可商购的选择性太阳能吸收器是由电镀、阳极化以及化学氧化技 术来制备。用电化学方法制备的最普遍使用的选择性光热吸收器层是黑铬、 黑锌、氧化铜、黑钴、黑镍、氧化铁以及着色氧化铝(pigmented alumina)。

这种吸收器的太阳能吸收率为0.9且热发射率为0.1至0.3，并且通常 直至425到500°开尔文的温度都是热稳定的。这些制备方法需要有毒的酸 浴以及复杂的金属盐组合。此外，来自所述制备方法的废弃物是有毒且危 害生态的，它们的管理(处理)会产生问题。

此外，就这些方法而言，有时很难或者甚至不可能使吸收器的光学性 质与所需要的性质非常精确地匹配。

在过去的约二十年中，由于金属-陶瓷复合材料的薄膜或层具有适当且 可调整的光学性质，考虑到它们适合作为选择性太阳能吸收器，人们已经 对其进行了彻底的研究。

金属-陶瓷复合材料，同样称为金属陶瓷，其包含陶瓷基体，该基体具 有分散于其中的金属纳米颗粒。由于许多金属陶瓷层具有相当高的IR透明 度并且同时具有很高的太阳能吸收，它们注定要被用作选择性吸收器。因 此，使用这种金属陶瓷层作为吸收器被人们广泛接受。此外，这种涂层在 变化的热条件下同样显示出长时间的稳定性。

复合纳米材料涂层的光学性质易受层厚度、金属相体积分数、几何形 状以及粒度的影响。同时，传导性颗粒的分布特征可能对金属陶瓷层的归 一化折射指数产生决定性影响。例如，从空气-金属陶瓷分界面直至衬底- 金属陶瓷分界面的金属颗粒浓度的逐渐增大会导致由表面反射降低而引起 的更高吸收率。

经由溅射技术而沉积是一种非常洁净的方法，其不需要化学浴以及有 害的酸。这种沉积方法可实现由高纯度目标材料产生具有受控层厚度的高 质量光学涂层。商业上，已经通过使用圆柱型或滚动型溅射技术生产出各 种选择性金属介电涂层，例如SS-C、SS-AIN(SS＝不锈钢)、Al-N和TiNO_x。

这种情形中存在的问题是，溅射技术相当麻烦并且昂贵，分别需要高 技术的电压源以及大真空室或者洁净室条件，并且需要能调整气体组成、 层厚度以及压力条件的精确控制系统和调节系统。总体上，该方法需要的 能量消耗同样很高。

考虑到太阳能市场目前的状况，其仍然处于发展的初始阶段，吸收器 层仍然是集热器最昂贵的部件，所以溅射目前并不是生产低价太阳能集热 器的经济手段。

与溅射层相反，太阳能吸收器涂料代表了一种价格较低廉的变化形式， 然而，它们显示出由所引入有机聚合物粘合剂振动方式而引起的80至90％ 的非常高的热发射率，并且它们的长期稳定性依然较差。通过使用有机改 性的硅氧烷树脂已经使这种涂料的稳定性得到了改善。然而，到目前为止， 由于涂料基吸收器的光学性质低劣，通常它们被用于非选择性或中等选择 性的吸收器。

通过将石墨层与机械磨光衬底结合，人们获得了一种低成本、机械制 备的太阳能吸收器。就磨光参数而言，这种涂层是高灵敏度的，太阳能吸 收在0.9左右并且热发射高达0.22。