直流反应溅射沉积Al_2O_3薄膜及其在SS-AlN金属陶瓷太阳吸收涂层的应用

在沉积不锈钢-氮化铝(SS-AlN)金属陶瓷太阳吸收集热管的磁控溅射三靶镀膜机上,安装了UPS03反应溅射闭环控制单元,实现反应溅射Al2O3稳定反馈控制。采用国产直流电源在Al靶表面处于过渡态下,成功制备了吸收几乎为零的Al2O3薄膜。溅射功率在14kW时,反应溅射沉积Al2O3的靶电压波动可长时间稳定控制在±3 V范围内,沉积速率为5.4 nm/(min·kW),约为Al靶在无反应气体溅射下沉积Al薄膜速率的74%。采用Al2O3代替AlN作为减反射层,应用到SS-AlN太阳选择性吸收涂层中,进一步提高了复合膜的太阳光学性能,太阳吸收比由AlN作为减反射层的0.956提高到0.965,红外发射比不变,仍为0.044。

全玻璃SS-AlN金属陶瓷真空太阳集热管

不锈钢-氮化铝(SS-AlN)金属陶瓷太阳选择性吸收涂层于1995年在实验室制备成功,采用真空磁控溅射沉积。太阳吸收复合膜采用干涉吸收型膜层结构,由不同金属含量的两层金属陶瓷层组成吸收层。金属陶瓷吸收层采用在镀膜室中SS和Al金属靶,在溅射气体Ar和反应气体N2中同时溅射运行,SS靶非反应溅射沉积SS金属组分,Al靶反应溅射沉积AlN陶瓷组分。实验室沉积的SS-AlN吸收涂层的太阳吸收比高达94%～96%,室温辐射比3.5%～4.0%。皇明公司2001年开始产业化生产全玻璃SS-AlN真空太阳集热管。我们开发了立式集热管连续镀膜线,第一条镀膜线于2007年调试成功,投入生产。集热管镀膜线真空系统长约41 m,高约3 m。每条线日产约为1.8～2.0万支。

高性能SS-AlN金属陶瓷真空太阳集热管的制备

采用真空磁控溅射沉积SS-AlN金属陶瓷太阳选择性吸收涂层。涂层光学功能层的制备，先采用铜靶溅射Cu红外反射层；再采用不锈钢（SS）和铝两金属靶在Ar和N2的混合气体中同时溅射沉积SS-AlN金属陶瓷吸收层；最后采用Al靶在Ar和N2中反应溅射沉积AlN减反射层。金属陶瓷吸收层由高、低SS体积份额的两吸收子层组成。优化溅射镀膜工艺参数获得高性能吸收涂层，太阳吸收比α（AM1.5）高达0．956±0．003（国标GB：α≥0．86），比GB高10％；红外发射比ε仅为0．043±0．003（GB：ε≤0．08）。制备成Ф58×2100mm全玻璃真空太阳集热管，80℃平均热损系数仉，仅为0．47±0．01w/m^2℃（GB：ULT≤0．85w/m^2℃），比GB低0．38w/m^2℃，性能提高45％。制备的真空集热管具有良好的真空品质，集热管内管加热350℃恒温480h后，吸气镜面轴向长度平均消失率仅为2-3％，集热管真空品质优于GB高达100倍以上（GB：350℃恒温48h，镜面消失率≤50％）。

Preparation and optical properties of Nb-NbN multilayer films as solar selective absorptive coatings

Based on the cermet double layer structure, Nb-NbN multi-layer films for solar selective coatings were deposited by direct current reactive magnetron sputtering. The Nb/Nb-NbN/Al2O3 trilayered structure was deposited on a stainless steel (SS) substrate by using a single niobium target. The expected components were adjusted by changing the gas flowing ratios of Ar: N2. The Al2O3 antireflective layer on the top of the film was produced by r. f. magnetron sputtering using Al2O3 ceramic target. A solar absorptivity of 0.94 and a normal emissivity of 0.16 at room temperature have been achieved for the coating. Thermal vacuum aging to the samples was carried out at 350 and 500 ℃ for 1 h. The results show a good thermal stability. Microstructure and its dependence on temperature of the Nb, NbN and Nb-NbN single layers were investigated, respectively.

闭环控制靶电压直流磁控反应溅射沉积AlN薄膜

在原磁控溅射三靶镀膜机上安装了UPS03反应溅射闭环控制单元,替代原有的级差法控制流量计改变反应气体流量的方法,实现反应溅射AlN反馈控制。该控制单元由UPC03型控制器和PCV03型压电陶瓷阀组成。控制器实时采集直流电源的Al靶电压信号,与设定电压进行比较计算处理,输出电压控制信号至压电陶瓷阀,调节输出N2流量,实现Al靶电压稳定控制。在靶表面处于过渡态下,成功制备了吸收几乎为零的AlN薄膜。溅射功率14kW,反应溅射沉积AlN的靶电压波动可长时间稳定控制在±2V范围内,沉积速率高达4.5nm/(min·kW),约为Al靶在无反应气体溅射下沉积Al薄膜速率的80%。溅射沉积的AlN薄膜作为减反射层应用到SS-AlN太阳选择性吸收涂层中,使得太阳吸收比高达0.956。

金属陶瓷太阳能选择性吸收涂层传热研究

在太阳能热利用中,太阳能集热器的传热性能至关重要。主要综述了太阳能光谱选择性吸收涂层有效导热系数的理论预测方法、材料制备方法以及实验测量导热系数的方法。对比了多种方法,简要分析了各种方法的优缺点,强调了界面接触热阻在复合材料导热中的重要性。最后将理论、制备、实验三者结合,对未来的发展趋势做出了展望。

新型热控涂层Al-Al_2O_3金属陶瓷复合膜制备与性能研究

介绍了柔性基底金属陶瓷复合膜的膜系结构设计,利用脉冲直流磁控溅射技术,在聚酰亚胺基底上制备了Al-Al2O3金属陶瓷复合膜,自基底至膜层表面依次为:聚酰亚胺、金属反射层、金属陶瓷层、减反射层。并对所制备的金属陶瓷复合膜进行了光热学性能分析。实验结果表明:通过脉冲直流磁控溅射技术制备的Al-Al2O3金属陶瓷复合膜,具有高太阳吸收率(a≥0.90),低红外发射率(ε≤0.11),是一种高效吸热型热控薄膜材料。

基于W-SiO_(2)双金属陶瓷结构的高效率太阳能选择性吸收薄膜的优化和制备

理论优化并成功制备了一种以W-SiO_(2)双金属陶瓷作为吸收层的太阳能选择性吸收薄膜,同时提高了薄膜在太阳辐射波段的吸收并降低了在红外波段的热辐射。研究了包括金属反射层材料、吸收层金属体积分数等因素对薄膜整体吸收效率的影响。基于对Si和K9玻璃基底上生长的不同金属体积分数的W-SiO_(2)陶瓷薄膜光学常数的研究,利用磁控溅射方法制备出如下膜系:W(~150 nm)/W-SiO_(2)(94 nm,0.67HVF)/WSiO_(2)(34 nm,0.27LVF)/SiO_(2)(47 nm)。膜系实际测量结果与仿真结果完全吻合,在250∼1500 nm宽光谱波段实现了高达95.3%的吸收率,并且在600 K温度下达到0.124的低热辐射率。该四层膜系结构简单,易于制备,有很强的实际应用前景。

柔性基底Mo-Al_2O_3金属陶瓷薄膜性能及其应用

柔性Mo-Al2O3金属陶瓷复合膜以聚酰亚胺为基底,具有膜系结构简单、轻质、高效吸热以及热稳定性等优点,是一种新型吸热型热控薄膜材料,可应用于航天器热控器件。着重介绍了柔性Mo-Al2O3金属陶瓷复合膜的膜系结构设计,并对其在航天器中的应用前景进行了分析。

激光熔覆制备金属陶瓷选择性吸收涂层的研究

针对金属陶瓷选择性吸收涂层的制备技术进行创新性探索,利用SYSWELD软件进行温度场的模拟分析,并首次将激光熔覆法和表面涂覆法相结合,在不锈钢基体上制备了Ni/Mo-TiC金属陶瓷单层涂层。结果表明,模拟计算的熔宽、熔深和实测值相吻合,熔覆过程的稀释率约为13.0%,说明涂层的冶金结合良好。此外,涂层在600℃退火1h后,其吸收率为80.7%(热处理前为79.8%),热发射率为6.0%(热处理前为5.5%),而且光学吸收性能无明显变化,物相组成较稳定,说明该涂层的高温稳定性好。

激光熔覆制备多尺度金属陶瓷太阳能吸收涂层研究

采用激光熔覆法在不锈钢基体上首次制备了多尺度碳化钛基金属陶瓷涂层,利用SYSWELD软件对其进行温度场的模拟分析,模拟结果表明:熔宽、熔深与试验测量值相吻合,激光熔覆的稀释率约为11. 51%,说明涂层具有良好的冶金结合;激光熔覆制备的多尺度吸收涂层性能优异,吸收率为86%,发射率为4%;涂层经650℃退火后,光学性能几乎不变,且物相组成稳定,表明其具有优越的高温稳定性。研究表明,激光熔覆多尺度碳化钛基金属陶瓷太阳能吸收涂层高温稳定性能良好,适合应用于高温太阳能光热吸收领域。

金属陶瓷太阳能选择性吸收涂层的研究(特邀)

选用金属陶瓷作为吸收材料,基于多层薄膜的光学干涉理论,设计了Cu/Zr-ZrO_(2)(HMVF)/Zr-ZrO_(2)(LMVF)/Al_(2)O_(3)四层结构的太阳能选择性吸收涂层。采用磁控溅射法,在4英寸Si基片上制备出与设计参数相符的样品,其在太阳辐射主要波段(300~1500 nm)具有高于96%的平均吸收率,58°大角度入射情况下在该波段仍能保持92%以上的平均吸收率。经过300℃高温退火6 h后,该吸收涂层仍然保持了预期的选择性吸收特性。

中高温太阳光谱选择性吸收涂层专利技术进展

槽式太阳能热发电技术是目前技术最成熟、也是商业化运行最成功的太阳能热发电模式,而中高温太阳光谱选择性吸收涂层是提高发电效率的重要因素,因此其研究进展一直受到广泛的关注。文章以专利技术为主,重点分析国内外对中高温太阳光谱选择性吸收涂层技术的研究进展,以期为槽式太阳能热发电技术提供新的发展指引。