[发明专利]光热电站集热管用高熵选择性吸收纳米复合涂层材料及其制备方法和设备

说明书

本发明公开了一种光热电站集热管用高熵选择性吸收纳米复合涂层材料及其制备方法和设备，高熵选择性吸收纳米复合涂层采用梯度层结构，由结合层、加硬层、吸收层和减反增透层构成，所述结合层为电弧离子镀方法制备的CrN涂层，所述加硬层为AlCrTaSiTiBN/CrN纳米多层涂层，所述吸收层为AlCrTaSiTiBON高熵氮氧化物纳米晶‑非晶复合膜，所述减反增透层为(AlCrTaSiTiB)Ox高熵氧化物涂层。本发明所制备高熵选择性吸收纳米复合涂层结构设计合理，涂层具有很好的耐温性、耐磨性和热吸收效率，能保证集热管的长期稳定工作，减少厂家的运行维护成本。

技术领域

本发明属于薄膜材料技术领域，尤其涉及一种光热电站集热管用高熵选择性吸收纳米复合涂层材料及其制备方法和设备。

背景技术

太阳能是最丰富的可再生清洁能源。太阳辐射到地球表面的能量通量为1.7 ×1014kW/m2，比现有地球上储存的核能、地热能和引力能的总和都要大5000倍。地球每年接受到的太阳能总量为1×1018kW·h，相当于5×1014桶原油，是现在探明原油储量的近千倍，是全球年耗能量的一万多倍。目前，对太阳能的利用主要有光电、光伏和光热转换三种形式，其中太阳能光热转换利用最为广泛。以太阳能热发电为例，其相比于光伏发电，成本较低，且适合于大规模发电，是太阳能利用的重要发展方向，其转换过程主要是靠集热管上的选择性吸收涂层把能量密度低的太阳能转化为能量密度高的热能，产生的热使储热工质沸腾，从而产生过热高温蒸汽，来推动涡轮机发电，这种方式不仅可以大大减少传统能源的消耗，缓解能源危机，而且有利于环保，实现低碳发展。

在太阳能光热转换利用装置中，首先要使太阳辐射能转换成热能，能够实现这种功能的部件就是太阳能集热器，这是核心部件。而该部件中最核心的部分是太阳能光谱选择吸收涂层。这种涂层吸收太阳光谱紫外到近红外范围内的大部分光波，而在红外波段则是强反射。这样设计的目的是尽可能避免因涂层吸收红外线而带来高的热发射率，造成热能损失，尤其随涂层工作温度的升高，这部分热损失就越严重。因此，设计高温太阳能吸收涂层不仅要解决材料本身耐高温的问题，还要能有效地抑制热发射率。

此外，太阳能光谱选择吸收涂层的传统制备方法都存在不足之处：涂料法制备的涂层集热效率低，与基材结合力差，容易剥落且易老化；电化学法制备的涂层，在中高温条件下热稳定性差，仅限于低温条件使用，且制备工艺本身存在环境污染的问题；磁控溅射法成本过高，生产效率低，难以向大规模工业化生产推广。因此，需要综合考虑各方面的因素，寻求一种新的工艺与新的材料体系，设计稳定的涂层结构，研制一种能够大面积工业化生产，性能稳定，制备成本较低的光谱选择性吸收涂层，以适应大规模化应用，以期在太阳能中高温领域得到应用。多弧离子镀技术制备的涂层不仅结合力强，致密耐高温，制备过程对环境无污染，而且该技术相对磁控溅射技术成本低、沉积速率快，是较理想的制备技术。

2004年，中国台湾学者叶均蔚教授突破合金设计的传统观念，创新性地提出多主元高熵合金(high-entropy alloy，HEA)概念，被誉为近几十年来合金化理论的三大突破之一。在高熵合金中没有主要元素和次要元素的区别，最佳组成元素个数为5-13之间，每种元素的含量均介于5％-35％之间。根据玻尔兹曼假设，如果合金(固溶体)中有w种原子混合，则其摩尔混合熵ΔS＝Rlnw。当w越大时，混合熵就越高。根据吉布斯自由能与混合熵的关系ΔGmix＝ΔHmix-TΔSmix，熵的增加会大大降低吉布斯自由能，而吉布斯自由能更低的结构在凝固时将会优先形成。高熵合金中的高熵效应会导致系统自由能的降低，在凝固过程中将优先形成体心立方结构(BCC)和面心立方结构(FCC)等高熵固溶体，而不会形成脆性金属间化合物。合金材料按照混合熵可分为低熵合金、中熵合金以及高熵合金。由于高熵合金具有热力学上的高熵效应、结晶学方面的晶格畸变效应、动力学上的迟缓扩散效应以及性能上的鸡尾酒效应。因而使其具有高强度、高耐磨性、高耐腐蚀性等优异性能而受到国内外的广泛关注。