一種氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法
【專利摘要】本發明提供了一種氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法，屬于太陽能熱利用技術領域。該涂層依次包括吸熱體基底，吸收層和減反射層。所述吸收層的材料為氮化鈦，厚度為50?90 nm。所述減反射層為氧化鋁膜，厚度為50?90 nm。本發明制備的涂層在大氣質量因子AM1.5條件下，吸收率為≥0.90，發射率≤0.13；該涂層具有優異的光學性能和良好的耐腐蝕性能，在太陽能中低溫領域具有重要的應用價值。本發明制備工藝簡單，成本較低，在太陽能熱利用領域具有廣闊的實用價值和應用前景。
【專利說明】
一種氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法
技術領域
[0001]本發明屬于太陽能熱利用和真空鍍膜技術領域，涉及一種太陽能選擇性吸收涂層，尤其涉及一種氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層及其制備方法。
【背景技術】
[0002]OtC-1OOtC的太陽能熱利用就是被大多數人所認為的太陽能熱利用，其實是太陽能熱利用應用的基礎階段，最常見的產品就是太陽能熱水器和太陽能熱水系統。太陽能熱利用低溫隨市場從最初的民用領域，已經拓展到商用和工用領域。從早期農村市場的剛性需求，到后來城市市場選擇性需求以及民居強制安裝政策的實施，太陽能熱利用低溫發展呈現逐年上升的態勢。太陽能低溫利用不僅可以用于家庭，而且可以用于廠礦、機關、公共場所等熱水系統，另外，在工農業生產中也都可大規模應用，市場容量非常大。中溫利用太陽能中溫利用包括采暖、制冷、海水淡化、太陽能大棚、沼氣、干燥、太陽能空調等。太陽能空調只是太陽能中溫熱利用的一部分。皇明不僅率先將太陽能空調系統發展成熟，還在建筑上做了成功示范。2010年世界太陽城大會主會場日月壇.“微排”大廈，率先使用了目前世界上最大太陽能空調系統，該系統比常規制冷方式節能60%，每年可節電100多萬度，在酒店、賓館、學校、醫院等企事業單位非常適用。專家表示，太陽能空調系統已具備了大規模推廣的能力。太陽能光譜選擇性吸收涂層是太陽能低溫利用的關鍵材料。該涂層一般應具有高的吸收率和低的發射率及良好的耐腐蝕性能。黑鉻鍍膜技術是國際平板太陽能最成熟的吸收膜技術，目前也是應用最廣泛的鍍膜技術之一，曾經在世界平板太陽能應用上也占據重要地位，但隨著德國藍膜技術的發展，黑鉻鍍膜似乎正在退出歷史舞臺。據S&WE統計，2011年，70%的集熱器中選擇使用高選擇性的PVD或濺射涂層(數據有待考究)，11%采用黑鉻鍍層，該結果表明，采用磁控濺射涂層的高選擇性吸收涂層目前是市場上的明星產品，其替代黑鉻鍍層似是大勢所趨。藍膜的高吸收率與低發射率使其成為一種性能優良的膜層，但是由于其膜層易腐蝕，不耐候性最終不能使其成為一種經久不衰的經典膜層，并且不會完全替代黑鉻鍍膜。
[0003]氮化鈦(TiN)具有典型的NaCl型結構，屬面心立方點陣，晶格常數a=0.4241nm，其中鈦原子位于面心立方的角頂。TiN是非化學計量化合物，其穩定的組成范圍為TiN0.37-TiNl.16，氮的含量可以在一定的范圍內變化而不引起TiN結構的變化。TiN粉末一般呈黃褐色，超細TiN粉末呈黑色，而TiN晶體呈金黃色。TiN恪點為2950°C，密度為5.43-5.44g/cm3，莫氏硬度8-9，抗熱沖擊性好。TiN恪點比大多數過渡金屬氮化物的熔點高，而密度卻比大多數金屬氮化物低，因此是一種很有特色的耐熱材料。
[0004]中國發明專利CN101408354A公開了一種以氮化鈦、碳化鈦、碳氮化鈦為基材制備的防擴散，結構穩定的太陽能選擇性吸收涂層。但對于氮化鈦高溫陶瓷潛在的光譜選擇性性能未進一步開發。

【發明內容】

[0005]本發明所要解決的技術問題是針對傳統太陽能吸收涂層存在的問題以及氮化鈦陶瓷潛在的光譜選擇性性能未進一步開發的問題而提供一種氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層。
[0006]本發明的另一目的是提供上述氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層的制備方法。
[0007]—種氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層，依次包括吸熱體基底、吸收層和減反射層，所述吸熱體基底為拋光不銹鋼片或銅片，所述吸收層材料為氮化鈦，所述減反射層材料為氧化鋁。
[0008]所述吸收層氮化鈦的厚度為50-90nm。
[0009]所述減反射層氧化鋁的厚度為50-90nm。
[0010]所述吸收層采用直流磁控濺射方法制備;所述減反射層采用射頻磁控濺射方法制備。
[0011]上述氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，包括以下工藝步驟:
(1)吸熱體基底的處理:將吸熱體基底去除表面附著的雜質后，分別在丙酮和乙醇中分別超聲清洗10-20分鐘，氮氣吹干，真空保存；
(2)吸收層的制備:吸收層氮化鈦制備采用直流磁控濺射方法，制備時采用純度99.99%的氮化鈦作為磁控派射革E材;真空室預抽本底真空至1.0*10—6 -7.0*10—6 Torr;氮化鈦革巴材的濺射功率密度為3-8 W/cm—2，濺射沉積時氬氣的進氣量為20-80 sccm，沉積氮化鈦厚度為50-90 nm；
(3 )減反射層的制備:吸收層制備完畢后，以純度99.99%的Al2O3作為磁控濺射靶材，控制Al2O3靶材的濺射功率密度在5-9 W/cm—2，濺射沉積時氬氣的進氣量為20-80 sccm，采用射頻磁控濺射在吸收層上濺射制備減反射層，厚度為50-90 nm。
[0012]所述吸熱體基底為拋光不銹鋼片或銅片。
[0013]所述在濺射沉積吸收層時其吸熱體基底溫度為25-250°C。
[0014]所述在濺射沉積減反射層時其吸熱體基底溫度為25-250°C。
[0015]本發明的太陽能選擇性吸收涂層，以高溫穩定性良好，耐腐蝕性能優異及具有潛在光譜選擇性的氮化鈦為吸收層，有效提高了涂層的耐腐蝕性能及光學性能(吸收率和發射率)，極大的豐富了氮化鈦陶瓷在太陽能產業中的應用。本發明的太陽能選擇性涂層由圖2可知，該涂層在紫外可見近紅外光譜范圍內具有低的反射率，在紅外光譜范圍內具有高的反射率，在大氣質量因子AMl.5條件下，吸收率多0.90，發射率<0.13;長期鹽霧實驗結果表明，該涂層具有良好的抗腐蝕性能，如圖3所示。
[0016]綜上所述，本發明制備的涂層具有紫外可見-近紅外光譜高吸收率，紅外光譜低發射率的特點。由于吸收層采用氮化鈦陶瓷，涂層具有良好的抗腐蝕性能，適用于太陽能中低溫利用。本發明涂層結構簡單，沒有紅外反射層和摻雜，從而簡化了工藝，操作方便，縮短生產周期，降低成本，本發明在太陽能熱利用領域具有廣闊的實用價值和應用前景。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層的結構圖；
圖2為本發明氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層的反射譜圖；
圖3為本發明氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層的鹽霧試驗結果實物照片。
【具體實施方式】
[0018]下面通過具體實施例對本發明太陽能選擇性吸收涂層以及制備及性能作進一步說明。
[0019]實施例1
一種氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層，依次包括吸熱體基底、吸收層和減反射層，吸熱體基底為拋光不銹鋼片，粗糙度值為I nm;吸收層材料為氮化鈦，厚度為62 nm，吸收層采用直流磁控濺射方法制備;減反射層材料為氧化鋁，厚度為65 nm，減反射層采用射頻磁控濺射方法制備。
[0020]上述氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，包括如下工藝:
(I)吸熱體基底的處理:選用粗糙度值為I nm的拋光不銹鋼片作為吸熱體基底。使用前用棉球擦拭表面，除去表面附著的雜質，然后使用不銹鋼片分別在丙酮和乙醇溶劑中分別超聲清洗15分鐘，用氮氣吹干，真空保存，待用。
[0021 ] (2)吸收層的制備:采用純度99.99%氮化鈦作為磁控濺射靶材;采用直流磁控濺射技術制備氮化鈦，將真空室預抽本底真空至1.7 *10—6 Torr;調整氮化鈦靶材的濺射功率密度為5.5 W/cm—2，濺射沉積時氬氣的進氣量為33 sccm，開始在吸熱體基底上沉積氮化鈦，其厚度為62 nm;濺射過程中吸熱體基底溫度為200 °C。
[0022](3)減反射層的制備:吸收層制備完畢后，以純度99.99%的Al2O3作為磁控濺射靶材，控制Al2O3靶材的濺射功率密度在6.14 W/cm—2，濺射沉積時氬氣的進氣量為33 sccm，采用射頻磁控濺射在吸收層上濺射制備減反射層，厚度為65 nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為200 0C0
[0023]該太陽能選擇性吸收涂層的光學性能如下:在大氣質量因子AMl.5條件下，涂層吸收率為0.92，發射率為0.10;
實施例2
一種氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層，依次包括吸熱體基底、吸收層和減反射層，吸熱體基底為拋光不銹鋼片，粗糙度值為0.5 nm;吸收層材料為氮化鈦，厚度為50 nm，吸收層采用直流磁控濺射方法制備;減反射層材料為氧化鋁，厚度為73 nm，減反射層采用射頻磁控濺射方法制備。
[0024]上述氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，包括如下工藝:
(I)吸熱體基底的處理:選用粗糙度值為0.5 nm的拋光不銹鋼片作為吸熱體基底。使用前用棉球擦拭表面，除去表面附著的雜質，然后使用不銹鋼片分別在丙酮和乙醇溶劑中分別超聲清洗10分鐘，用氮氣吹干，真空保存，待用。
[0025](2)吸收層的制備:采用純度99.99%氮化鈦作為磁控濺射靶材;氮化鈦采用直流磁控濺射技術制備，將真空室預抽本底真空至1.0*10—6 Torr ；調整氮化鈦靶材的濺射功率密度為3W/cm—2，濺射沉積時氬氣的進氣量為20 sccm，開始在吸熱體基底上沉積氮化鈦，其厚度為50 nm;濺射過程中吸熱體基底溫度為250 °C。
[0026](3)減反射層的制備:以純度99.99%的Al2O3作為磁控濺射靶材，控制Al2O3革E材的濺射功率密度在5.0 W/cm—2，濺射沉積時氬氣的進氣量為20 sccm，采用射頻磁控濺射在吸收層上濺射制備減反射層，厚度為73 nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為250 °C。
[0027]該太陽能選擇性吸收涂層的光學性能如下:在大氣質量因子AMl.5條件下，涂層吸收率為0.90，發射率為0.13;
實施例3
一種氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層，依次包括吸熱體基底、吸收層和減反射層，吸熱體基底為拋光不銹鋼片，粗糙度值為3 nm;吸收層材料為氮化鈦，厚度為90 nm，吸收層采用直流磁控濺射方法制備;減反射層材料為氧化鋁，厚度為50 nm，減反射層采用射頻磁控濺射方法制備。
[0028]上述氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，包括如下工藝:
(I)吸熱體基底的處理:選用粗糙度值為3 nm的拋光不銹鋼片作為吸熱體基底。使用前用棉球擦拭表面，除去表面附著的雜質，然后使用不銹鋼片分別在丙酮和乙醇溶劑中分別超聲清洗10分鐘，用氮氣吹干，真空保存，待用。
[0029](2)吸收層的制備:采用純度99.99%氮化鈦作為磁控濺射靶材;氮化鈦采用直流磁控濺射技術制備，將真空室預抽本底真空至2.1*10—6 Torr;調整氮化鈦靶材的濺射功率密度為8 W/cm—2，濺射沉積時氬氣的進氣量為80 sccm，開始在吸熱體基底上沉積氮化鈦，其厚度為90 nm;濺射過程中吸熱體基底溫度為150 °C。
[0030](3)減反射層的制備:以純度99.99%的Al2O3作為磁控濺射靶材，控制Al2O3革E材的濺射功率密度在6 W/cm—2，濺射沉積時氬氣的進氣量為80 sccm，采用射頻磁控濺射在吸收層上濺射制備減反射層，厚度為50 nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為150 °C。
[0031 ]該太陽能選擇性吸收涂層的光學性能如下:在大氣質量因子AMl.5條件下，涂層吸收率為0.90，發射率為0.12;
實施例4
一種氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層，依次包括吸熱體基底、吸收層和減反射層，吸熱體基底為銅片;吸收層材料為氮化鈦，厚度為62 nm，吸收層采用直流磁控濺射方法制備;減反射層材料為氧化鋁，厚度為90nm，減反射層采用射頻磁控濺射方法制備。
[0032]上述氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，包括如下工藝:
(I)吸熱體基底的處理:選用銅片作為吸熱體基底。使用前用棉球擦拭表面，除去表面附著的雜質，然后使用不銹鋼片分別在丙酮和乙醇溶劑中分別超聲清洗20分鐘，用氮氣吹干，真空保存，待用。
[0033](2)吸收層的制備:采用純度99.99%氮化鈦作為磁控濺射靶材;采用直流磁控濺射技術制備氮化鈦，將真空室預抽本底真空至7.0*10—6 Torr ；調整氮化鈦靶材的濺射功率密度為8.0W/cm—2，濺射沉積時氬氣的進氣量為33 sccm，開始在吸熱體基底上沉積氮化鈦，其厚度為62 nm;濺射過程中吸熱體基底溫度為25 °C。
[0034](3)減反射層的制備:吸收層制備完畢后，以純度99.99%的Al2O3作為磁控濺射靶材，控制Al2O3靶材的濺射功率密度在9.0 W/cm—2，濺射沉積時氬氣的進氣量為33 sccm，采用射頻磁控濺射在吸收層上濺射制備減反射層，厚度為90 nm。濺射過程中吸熱體基底溫度為250C。
[0035]該太陽能選擇性吸收涂層的光學性能如下:在大氣質量因子AMl.5條件下，涂層吸收率為0.94，發射率為0.09。
【主權項】
1.一種氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于:依次包括吸熱體基底、吸收層和減反射層，所述吸熱體基底為拋光不銹鋼片或銅片，所述吸收層材料為氮化鈦，所述減反射層材料為氧化鋁。2.根據權利要求1所述的一種氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于:所述吸收層氮化鈦的厚度為50-90 nm03.根據權利要求1或2所述的一種氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于:所述減反射層氧化鋁的厚度為50-90 nm04.根據權利要求1或2所述的一種氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于:所述吸熱體基底拋光不銹鋼片的粗糙度值為0.5-3 nm。5.根據權利要求3所述的一種氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于:所述吸熱體基底拋光不銹鋼片的粗糙度值為0.5-3 nm。6.根據權利要求1或5所述的一種氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層，其特征在于:所述吸收層采用直流磁控濺射方法制備;所述減反射層采用射頻磁控濺射方法制備。7.根據上述任一權利要求所述的一種氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，其特征在于包括以下工藝步驟: (1)吸熱體基底的處理:將吸熱體基底去除表面附著的雜質后，分別在丙酮和乙醇中分別超聲清洗10-20分鐘，氮氣吹干，真空保存； (2)吸收層的制備:吸收層氮化鈦制備采用直流磁控濺射方法，制備時采用純度99.99%的氮化鈦作為磁控派射革E材;真空室預抽本底真空至1.0*10—6 -7.0*10—6 Torr;氮化鈦革巴材的濺射功率密度為3-8 W/cm—2，濺射沉積時氬氣的進氣量為20-80 sccm，沉積氮化鈦厚度為50-90 nm； (3)減反射層的制備:吸收層制備完畢后，以純度99.99%的Al2O3作為磁控濺射靶材，控制Al2O3靶材的濺射功率密度在5-9 W/cm—2，濺射沉積時氬氣的進氣量為20-80 sccm，采用射頻磁控濺射在吸收層上濺射制備減反射層，厚度為50-90 nm。8.根據權利要求7所述一種氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，其特征在于:所述吸熱體基底為拋光不銹鋼片或銅片。9.根據權利要求7或8所述一種氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，其特征在于:所述在濺射沉積吸收層時其吸熱體基底溫度為25-250 °C。10.根據權利要求7或8所述一種氮化鈦基太陽能選擇性吸收涂層的制備方法，其特征在于:所述在濺射沉積減反射層時其吸熱體基底溫度為25-250 °C。
【文檔編號】C23C14/08GK106091446SQ201610418415
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月15日 公開號201610418415.X, CN 106091446 A, CN 106091446A, CN 201610418415, CN-A-106091446, CN106091446 A, CN106091446A, CN201610418415, CN201610418415.X
【發明人】高祥虎, 劉剛, 郭志明, 耿慶芬, 馬鵬軍, 王愛勤
【申請人】中國科學院蘭州化學物理研究所