[发明专利]一种纳米多孔双层薄膜材料及其制备方法

说明书

本发明涉及光吸收层，特指一种纳米NiCr/TiAlN双层薄膜及其制备方法。首先利用磁控溅射技术在Al₂O₃衬底上沉积TiAlN薄膜，然后在其上磁控溅射沉积NiCr‑Ti前驱体薄膜，接着利用氢氟酸溶液进行刻蚀，目的为了去掉前驱体薄膜中的部分Ti组元，最终形成多孔NiCr/TiAlN合金薄膜涂层材料。此种方法制备的双层薄膜多孔结构完整、连续，形状均匀、尺寸可控，层与层之间的界面附着力强。该薄膜对宽光谱具备高的吸收，在宽光谱吸收和发射涂层方面具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及光吸收层，特指一种纳米NiCr/TiAlN双层薄膜及其制备工艺。具体涉及一种由表面刻蚀法结合磁控溅射制膜技术的纳米NiCr/TiAlN双层薄膜及其制备方法。

背景技术

利用太阳能的新材料、新技术成为当今新能源领域研究的热点，太阳能光热转换是利用太阳能最主要的方式。太阳能吸收涂层作为太阳能光热转换的重要部件，其光学性质直接决定了太阳能捕捉器的性能。为了高效利用太阳能，必须对入射在太阳能光热涂层表面的光线充分吸收，尽可能减少反射，以减少能量的损失。

目前常见的光吸收材料主要有炭黑、黑镍、黑铬、黑钴等材料。上述材料均具有良好的光吸收性能，但是由于材料本身的固有性质，在制备光吸收涂层时存在着一定的缺陷。如利用炭黑制备光吸收涂层时，涂层与基体铝片之间的结合力较弱；而制备黑镍、黑铬、黑钴等材料涂层时，其主要制备方法为电化学法，这种方法耗能太大、成本较高，并对环境产生一定的污染。常见的光谱吸收涂层制备方法有高压静电喷涂、溶胶-凝胶法、电化学沉积法(电镀和阳极氧化等)、涂料涂覆法、脉冲激光法以及真空镀膜法(磁控溅射、真空蒸镀)。其中，溶胶凝胶法制备工艺简单、成本较低，但是存在着原材料昂贵，制备周期长且凝胶中微孔较多；涂料涂覆法操作简单、对实验要求低，但是由于在制备过程中引入了黏合剂，导致该方法制备的涂层不均匀，厚度大，且涂层容易老化不耐高温。因此，如采用恰当的技术研发出一种不仅膜基结合力强，而且物理化学性能稳定、对环境友好、可大面积生产且在宽光谱范围内吸收性能良好的光吸收薄膜，将会具有非常大的应用价值。

针对上述问题，TiAlN材料因兼具有陶瓷材料高熔点、高硬度、耐腐蚀性、热稳定性好以及金属材料的良好的导热性，在光吸收涂层领域的中高温区域应用前景极为广泛。目前TiAlN光吸收涂层的制备方法主要为磁控溅射物理气相沉积，如文献“Wattoo AG,Xu C,Yang LJ,et al.Design,fabrication and thermal stability of spectrallyselective TiAlN/SiO₂ tandem absorber.Solar Energy,2016,138:1-9.”采用了磁控溅射的方法制备了在Cu衬底上的TiAlN/SiO₂的双层光吸收膜系，TiAlN作为主吸收层，而有均匀小孔分布的SiO₂是膜系表面的减反射层，但是SiO₂/TiAlN吸收涂层并不是所有波段都吸收率高，只是对特定的区间有高的吸收率，其他波段的效果并不是特别理想；文献“Barshilia HC,Selvakumar N,Rajam KS.Thermal stability of TiAlN/TiAlON/Si₃N₄tandem absorbers prepared by reactive direct current magnetronsputtering.Journal of Vacuum ScienceTechnology A,2007,25(2):383-390.”采用磁控溅射方法在Cu衬底上制备了TiAlN/TiAlON/Si₃N₄双层光吸收薄膜，但是在温度为650℃的退火实验中，薄膜从Cu基底上脱落，界面结合力较弱。