[发明专利]一种增强光阱效应的织构表面光谱吸收涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种增强光阱效应的织构表面光谱吸收涂层及其制备方法。该方法通过高温退火与氧化反应，巧妙借用元素扩散，使得衬底中扩散系数较高的元素扩散至衬底表面，在平坦的衬底表面生长出凸起氧化物，形成天然织构表面，以延长扩散过程，改善涂层的光谱吸收性能与高温稳定性。再通过沉积氧化层/氮化层/氮氧化层，作为抗反射层、抗氧化层、元素扩散抑制保护层，进一步提高涂层高温抗氧化性能。所述涂层由织构表面与保护层相结合，同时解决了高温下涂层内原子扩散、表面氧化而导致的结构破坏问题，将高温热稳定性提高至800℃。本发明提供的方法设备门槛低，绿色环保，不产生次生危害，步骤简单、成本低、可控性强、可用于工业化大规模生产。

技术领域

本发明属于涂层制备的技术领域，具体涉及一种增强光阱效应的织构表面光谱吸收涂层及其制备方法。

背景技术

聚光太阳能系统(Concentrating Solar Power，简称CSP)是最环保高效的太阳能开发技术，前景巨大，正向全球部署，预计 2030年产生7％的全球电力，2050年产生25％的全球电力。其关键部件是光热转换器上的光谱吸收表面，将光热转换成电能，决定着整个系统的工作效率。随着CSP系统的升级，太阳能场的工作温度将从400℃升高至500℃及以上，原先性能优良的Mo-Si₃N₄、Mo-Al₂O₃、 Pt-Al₂O₃等吸收涂层已无法满足新的工作标准。

主要原因在于现有研究存在如下问题：

问题一：吸收子层(增透层、吸收层和红外反射镜)在高温下发生原子扩散，导致吸收涂层基本结构被破坏，使得太阳光谱波段内吸收率劣化；

问题二：室外高温环境下，吸收层表面发生氧化，导致红外光谱波段反射性能下降。

因而，为解决现有吸收涂层500℃及以上光学性能稳定性问题，必须同时从原子扩散、表面氧化两方面出发，以实现太阳光辐射环境下，提高吸收涂层长期运行的可靠性和稳定性。

织构表面相比金属陶瓷与多层涂层，由于其表面的织构结构使得扩散区域增大，扩散过程增长，因此吸收涂层耐高温的时间越长，具有更高的热稳定性。目前，研究者们普遍采用催化剂技术、电化学处理、水热法、离子束刻蚀等工艺在过渡金属、Fe–Cr–Ni合金、金属陶瓷等表面构建自组装2D纳米结构、泡沫纳米结构等织构表面，然而前三者对化学条件精密度要求较高，难以控制，且不适于大批量生产，离子束刻蚀对设备要求高，且需要技术娴熟的工程师参与，可操作性较弱。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种增强光阱效应的织构表面光谱吸收涂层的制备方法及该涂层，可用于高温选择性太阳能吸收涂层，该方法通过高温退火与氧化反应，巧妙借用元素扩散特征(从高浓度处扩散至低浓度处)，使得衬底中扩散系数较高的元素扩散至衬底表面，并与氧气反应，在平坦的衬底表面生长出凸起氧化物，形成天然织构表面，延长了扩散过程，改善了涂层的吸收性能、高温稳定性，解决了技术背景中所述的问题一。再通过沉积氧化层/氮化层/氮氧化层，作为抗反射层、抗氧化层、元素扩散抑制保护层，进一步提高高温抗氧化性能，并降低可见光范围内的反射率，以提高太阳能吸收涂层的效率，解决了技术背景中所述的问题二。该方法制备的涂层由织构表面与保护层相结合，同时解决了高温下涂层内原子扩散、表面氧化而导致的结构破坏问题，提高了吸收涂层长期运行的可靠性和稳定性。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种增强光阱效应的织构表面光谱吸收涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：准备洁净平坦的衬底：准备衬底，将其切割成合适的尺寸，经清洗以保证洁净；所述衬底包含多种元素，且元素间扩散系数呈梯度变化，以便于高温下部分元素扩散至衬底表面；