[发明专利]一种具有Si3N4和AlN双陶瓷结构高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能利用技术领域，具体涉及一种具有Si₃N₄和AlN双陶瓷结构高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。

背景技术

太阳光谱选择性吸收涂层在可见-近红外波段具有高吸收率，在红外波段具有低发射率的功能薄膜，是用于太阳能集热器，提高光热转换效率的关键。随着太阳能热利用需求和技术的不断发展，太阳能集热管的应用范围从低温应用（≤100℃）向中温应用（100℃-350℃）和高温应用（350℃-500℃）发展，以不断满足海水淡化、太阳能发电等中高温应用领域的使用要求。对于集热管使用的选择性吸收涂层也要具备高温热稳定性，适应中高温环境的服役条件。

对于太阳能选择性吸收涂层目前已研究和广泛使用了黑铬、阳极氧化着色Ni-Al2O3以及具有成分渐变特征的SS-C/SS（不锈钢）和Al-N/Al等膜系，应用于温度在200℃以内的平板型集热装置的集热管表面。但在中高温条件下，由于其红外发射率随温度上升明显升高，导致集热器热损失明显上升，热效率显著下降。

为了提高中高温服役条件下选择性吸收涂层的热稳定性，Mo-Al2O3/Cu、SS-AlN/SS等材料体系得到了研究和发展，采用了双靶或多靶金属陶瓷共溅射技术，其中Mo-Al2O3/Cu体系的特点是Mo-Al2O3吸收层具有成分渐变的多亚层结构，Al2O3层采用射频溅射方法，SS-AlN/SS体系的特点是吸收层采用了干涉膜结构，使热稳定性提高。上述涂层在使用温度350℃-500℃范围内的聚焦型中高温集热管表面获得了应用。但是双靶或多靶共溅射、射频溅射等工艺沉积速率低，生产周期长，工艺复杂，成本高。

对于太阳能的中高温利用，需要一种吸收率高、发射率低、热稳定性好，而且工艺简便的选择性吸收涂层及制备技术。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，提出一种具有Si₃N₄和AlN双陶瓷结构高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，适用于高温（300℃-500℃）工作温度集热管，涂层吸收率高、发射率低、热稳定性好，制备工艺简便，操作方便，生产周期短，溅射工况稳定。

本发明提供一种具有Si₃N₄和AlN双陶瓷结构高温太阳能选择性吸收涂层，包括三层膜，从底层到表面依次为红外发射层、吸收层和减反射层；

第一层红外发射层由Cu膜或者Ag膜组成，位于基体表面，厚度在50～250nm；第二层吸收层包括两个亚层结构，两个亚层均为Si₃N₄和AlN膜，第一亚层和第二亚层的厚度均为50～100nm；第一亚层中Si₃N₄的体积百分比为20~40%，其余为AlN；第二亚层Si₃N₄的体积百分比为10~30%其余为AlN；第一亚层位于第一层红外发射层上，第二亚层位于第一亚层上；第三层减反射层由SiO₂膜，厚度为20～60nm。

本发明提供一种具有Si₃N₄和AlN双陶瓷结构高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括以下几个步骤：

步骤一：在基体上制备第一层红外发射层；

采用纯金属靶直流或中频磁控溅射方法，纯金属靶为Cu靶或Ag靶，以Ar气作为溅射气体制备，基体采用高速钢，溅射前将真空室预抽本底真空至4×10^-3~5×10^-3Pa，通入惰性气体Ar作为溅射气氛，Ar气流量为100~140sccm，调整溅射距离为130~150mm，调节溅射气压为3×10^-1~4×10^-1Pa，开启纯金属靶的溅射靶电源，调整溅射电压为380~450V，溅射电流为8~10A，得到厚度为50～250nm的第一层红外发射层；

步骤二：在第一层红外发射层上制备第二层吸收层；