[发明专利]一种应用离子氮化工艺制备太阳能吸收涂层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能吸收涂层的制备方法，具体来讲是一种应用离子氮化工艺在铝合金管表面进行太阳能吸收涂层的制备方法。

背景技术

中国可再生能源学会主办的《太阳能学报》，2001年1月，公开报道了“全玻璃真空太阳集热管光-热性能”中介绍了在硼硅玻璃313(BJ2TY)上预置铝膜底层，利用单靶磁控溅射技术制备渐变铝-氮复合薄膜为吸收层，铝-氧介质薄膜为减反层的太阳能吸收涂层工艺。其中，多层(渐变)AlN/Al选择性吸收涂层的吸收率α可达0.93，反射率ε约为0.05。多层(渐变)AlN/Al选择性吸收膜的全玻璃真空集热管，在太阳辐射为900W/m²时，集热管内空晒温度达到270℃。

中国机械工程学会主办的《材料热处理学报》，2008年8月，公开报道了“铝基板上沉积氮化铝薄膜的制备及特性分析”中介绍了利用J GP2800型超高真空多功能磁控溅射设备，选用高纯铝靶(纯度为991999％，Φ75mm)，6061铝为衬底基片，纯度99.999％的Ar和N₂为工作气体制备AlN薄膜。其中，衬底和Al片经过研磨抛光各1h，丙酮超声清洗5min，再用去离子水清洗，氮气吹干后放入样品室。反应腔内本底真空优于2×10^-4Pa，溅射前先通入Ar对铝靶进行20min的预溅射，以除去表面氧化物，溅射时衬底不加热。

上述方法是以玻璃或铝为衬底，利用磁控溅射的方法制备氮化铝涂层，其不足之处是所制备的氮化铝涂层用于太阳能集热管在使用时存在热启动慢，制备时的成本高、设备昂贵以及操作复杂。

公开号为CN1105340的发明专利，采用“碳氮共渗处理氧化铝连续制备氮化铝的方法”，用氧化铝、碳、粘合剂和氮在反应器中进行反应制备氮化铝，该方法很难制备氮化铝薄膜因此很难用作太阳能吸收涂层。

发明人针对现有太阳能热水器集热管的太阳能吸收涂层，结合现有技术，提出了不同于传统的磁控溅射方法制备氮化铝太阳能吸收涂层的方法，利用真空离子氮化技术在铝合金管表面直接生成一层具有太阳能吸收功能且成分梯度变化的氮化铝(AlN)涂层，由于铝合金具有优良的导热性，氮化铝涂层能将吸收的太阳能转化为热能迅速传递。若在真空离子氮化过程中，设置石墨电极能够进一步增加AlN涂层的黑度，提高太阳能吸收涂层的吸收效率。由于传统的太阳能吸收涂层氮化铝是通过磁控溅射方法在玻璃衬底上制备的，玻璃与铝合金相比，其导热系数相差很大。因此，利用离子氮化工艺制备太阳能吸收涂层，将大大提高太阳能的利用效率。

发明内容

本发明要解决的问题是现有太阳能吸收涂层氮化铝，是在玻璃管上采用磁控溅射方法制备的，在使用时热启动慢，在制作时所用的设备昂贵及操作复杂，基于此，申请人提供一种应用离子氮化工艺制备太阳能吸收涂层的方法。

本发明应用离子氮化工艺制备太阳能吸收涂层的方法，包括铝合金管的预处理方法，离子氮化工艺，该方法是将预处理后的铝合金管置入离子氮化炉中，通入氩气，在气压为20～60Pa下，调节电压400～600V，溅射清洗后，再通入氮气或氨气，并增压至200～400Pa后，控制氩气和氮气体积比为0.2～1或者氩气和氨气体积比为0.5～1，在工作电压为500～800V，工作温度为240～500℃下对铝合金管表面进行离子氮化，保温1～2小时后，在铝合金管表面生成成分梯度变化的渐变AlN-Al，即为太阳能吸收涂层。

进一步地，本发明应用离子氮化工艺制备太阳能吸收涂层的方法是在设置有石墨电极的离子氮化炉中通入氩气，在气压为40Pa，电压为550V下溅射清洗后，再通入氮气，控制氩气和氮气的体积比为0.4，增压至400Pa，调节电源电压为700V，调节石墨极电压500V，保持温度为450℃，对铝合金管表面进行离子氮化，保温1小时，在铝合金管表面生成成分梯度变化的渐变AlN-Al，即为太阳能吸收涂层。

进一步地，本发明应用离子氮化工艺制备太阳能吸收涂层的方法是在设置有石墨电极的离子氮化炉中通入氩气，在气压为30Pa，电压为450V下溅射清洗后，再通入氨气，控制氩气和氨气的体积比为1.0，增压至350Pa，调节电源电压为650V，调节石墨极电压400V，保持温度为400℃，对铝合金管表面进行离子氮化，保温1.5小时，在铝合金管表面生成成分梯度变化的渐变AlN-Al，即为太阳能吸收涂层。

本发明在上述技术方案中所使用的石墨电极是网状、格栅状或者是平板状的海绵型多孔石墨电极。在离子氮化炉中所通入的氮气为99.99％的高纯氮。