[发明专利]用于高温太阳能热应用的杂化多层太阳能选择性涂层及其制备工艺

说明书

本发明描述了一种具有高热稳定性的可用于高温太阳能热发电的杂化多层太阳能选择性涂层。通过溅射法与溶胶‑凝胶法的新型组合，本发明的杂化多层太阳能选择性涂层已被沉积在金属和非金属衬底上，且优选被沉积在具有铬间层的SS 304和321上。本发明的杂化多层太阳能选择性涂层是由钛/铬间层、氮化铝钛(AlTiN)层、氮氧化铝钛(AlTiON)层、氧化铝钛(AlTiO)层以及有机改性二氧化硅(ormosil)层堆叠而成的。铬间层是通过电镀法而沉积的，而Ti层、AlTiN层、AlTiON层和AlTiO层是通过一种四阴极反应性非平衡脉冲直流磁控溅射技术而制成的。ormosil层是通过溶胶‑凝胶技术而沉积的，由此使其在空气中和真空中具有更强的吸收能力和更高的长期热稳定性。本发明提供了一种杂化多层太阳能选择性涂层，该涂层的吸收率>0.950，发射率<0.11(具有铬间层的SS衬底)，且具有长期的高热稳定性(在循环加热条件下，在空气中在500℃以及在真空中在600℃约为1000h)。本发明的杂化多层太阳能选择性涂层在金属和非金属衬底上显示出约为5‑9的更高太阳能选择比。本发明的杂化多层太阳能选择性吸收涂层具有高的耐氧化性、稳定的微观结构、高的附着力和缓变的成分，特别适用于聚光型集热器，例如用于生成太阳能蒸汽的排空接收管和菲涅尔接收管。

下面的说明书具体描述了本发明及其实施方式：

技术领域

本发明涉及一种用于高温太阳能热应用的杂化多层太阳能选择性涂层。本发明特别涉及一种杂化多层太阳能选择性涂层，该涂层具有更强的吸收能力(α&gt;0.950)、更低的发射率(ε&lt;0.11)以及高的热稳定性(在空气中高达500℃，在真空中高达600℃)，适于太阳能热发电。更重要的是，它涉及一种杂化多层涂层，该涂层是由涂覆在金属和非金属衬底—优选为不锈钢(SS)304和321衬底—上的以下各层构成的堆叠层：钛/铬间层、氮化铝钛(AlTiN)层、氮氧化铝钛(AlTiON)层、氧化铝钛(AlTiO)层以及有机改性溶胶-凝胶二氧化硅(ormosil)层。铬(chrome)间层是通过电镀法而沉积的，而钛(Ti)层、AlTiN层、AlTiON层和AlTiO层是通过一种四阴极反应性非平衡脉冲直流磁控溅射技术而制成的。ormosil层是通过溶胶-凝胶技术而沉积的，由此使其在空气中和真空中具有更强的吸收能力和更高的热稳定性。

背景技术和现有技术

为了使太阳热能更能被消费得起，除了改善太阳能热电厂的设计以及相关联的用于太阳能领域的支持结构之外，需要开发出具有更高的光学性能和热稳定性的太阳能吸收涂层。理想的高温太阳能选择性涂层必须具有高的吸收率(&gt;0.940)、低的热发射率(在400℃时≤0.10)，在空气中的稳定性高达500℃，且具有更高的耐久性和可制造性以及更低的成本[可参见C.E.Kennedy，Proceedings of International Solar Energy Conference(国际太阳能会议论文集)，2005年8月6-12日，美国奥兰多]。各种物理气相沉积工艺PVD(例如蒸发、离子镀、阴极电弧蒸发、脉冲激光沉积和溅射)已用于开发高温太阳能选择性涂层。Pt-Al₂O₃、Ni-Al₂O₃、Ni-SiO₂、Cr-SiO、Mo-Al₂O₃、Mo-SiO₂、W-Al₂O₃涂层已用于高温太阳能选择性应用中。虽然这些涂层在真空中具有良好的热稳定性以及在空气中具有低的热稳定性(≤300℃)，不过人们已进行了适当的涂层改性，以在某些程度上提高这些涂层的热稳定性。

对太阳能选择性吸收体的最基本的要求之一是，其在高温下工作时具有稳定的结构性成分。这些涂层的光学性能不会随温度的升高或在使用一段时间之后而下降。

通过与环保的溶胶-凝胶法结合的溅射工艺，本发明的杂化多层太阳能选择性涂层被沉积在金属和非金属衬底上，且优选被沉积在具有和不具有铬镀层的不锈钢衬底(SS304和321)上。本发明的主要效用是用于高温应用中，特别是用于在发电中所使用的太阳能蒸汽发生器和蒸汽轮机中。