先进高温选择吸收涂层材料及其稳定性研究

从高温选择吸收涂层材料的热力学基础、研究现状及热稳定性研究等方面简要阐述了先进高温选择性涂层的发展以及存在的问题。在高温选择吸收涂层材料及热稳定性研究方面,高熔点及耐氧化性的过渡族金属陶瓷材料经常是高温涂层的首选。此外,纳米晶、非晶以及多层膜结构等也对涂层的光学性能及热稳定性有积极作用。针对商业化应用,在后期的研究中还应继续解决涂层材料的高发射率及高温热不稳定等关键问题。

中高温金属/陶瓷型光谱选择吸收涂层的研究进展

太阳能选择吸收涂层是一种特殊的表面，在0．3～2．5μm太阳光谱范围内具有尽可能高的太阳吸收能力，同时在3～25μm红外波长范围内有尽可能低的热辐射能力。在太阳能热利用中，它能把太阳能富集起来，提高太阳能光热转换效率。近年来，太阳能的中高温利用日益成为人们关注的焦点。系统介绍了选择性吸收涂层的吸收机制、制备工艺，同时对国内外选择吸收涂层的现状做了综述。最近，对金属复合氧化物选择吸收涂层的研究有了新的进展，这类涂层在非真空、高温条件下具有较好的光学性能，且热稳定性好，有望进一步推动中高温太阳能吸收涂层的发展。

Mo-Al_2O_3太阳能选择吸收涂层的制备及其光学性能

选用金属Mo作为红外反射层,Mo-Al_2O_3作为吸收层,Al_2O_3作为减反射层,利用磁控溅射镀膜技术,在抛光的316L不锈钢片上制备具有双吸收层的Mo/Mo-Al_2O_3/Al_2O_3太阳能选择吸收膜系,研究减反射层和高、低金属吸收层的厚度及其金属体积分数对膜系选择吸收性能的影响。结果表明,当减反层厚度为50 nm时,所得膜系的选择吸收性能最佳。高金属吸收层厚度的增加会使薄膜反射率的骤升阈值发生红移,薄膜的发射率升高,但其厚度过高,则会影响薄膜的干涉效应。低金属吸收层厚度的增加会导致可见光波段的吸收率增加,红外波段的发射率上升,薄膜反射率的骤升阈值红移。高金属吸收层中金属体积分数增加会导致它的方块电阻降低,使薄膜的红外发射率下降。低金属吸收层中金属体积分数的增加,会导致薄膜的红外干涉下降,使其发射率升高,获得薄膜的最佳吸收率为0.922,发射率为0.029。

MOCVD法制备碳-氧化铝太阳能选择吸收涂层的研究

目前,普遍采用射频溅射制备以氧化铝为介质基体的太阳能选择吸收涂层,但射频溅射成本高、效率低。以乙酰丙酮铝为前驱体,采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)方法,在不锈钢基体上制备碳-氧化铝太阳能选择吸收涂层,大大降低了涂层成本。研究了载气成分、沉积时间对膜层成分和吸收率的影响。结果表明:在沉积温度为600℃、载气氧含量为3%、沉积时间4h时获得了吸收率α为0.91的涂层。

NiSiO2太阳光谱选择吸收涂层的设计制备及热稳定性研究

采用软件模拟辅助实验的方式制备了新型Al/NiSiO_2(M)/NiSiO_2(D)/SiO_2太阳光谱选择吸收涂层,并对其热稳定性进行了研究。使用磁控溅射技术,通过改变氧气(O_2)流量制备了一系列NiSiO_2膜层,研究了O_2流量对膜层光学性能的影响,并使用光学模拟软件对涂层进行设计和优化。根据模拟优化结果在不锈钢基底上成功制备了Al/NiSiO_2(M)/NiSiO_2(D)/SiO_2光谱选择吸收涂层,其吸收率(α)为0.933,400℃下的发射率(ε)为0.14。涂层在空气中450℃高温下热处理100h后,其吸收率与发射率之比(α/ε)由6.66上升至7.62,依然保持着较高的光谱选择性,表明涂层具有较好的热稳定性。

光谱选择吸收涂层的优化设计研究现状

概述了光谱选择吸收涂层的发展,并对Maxwell-Garnett理论、Bruggeman理论以及Ping-Sheng理论等三种模拟计算理论进行了简要介绍。

太阳能选择性吸收涂层的失效机制及优化策略

在光热系统中,集热器作为光热转化的核心部件通过光谱选择性吸收涂层将太阳能转化为热能。因此,对选择性吸收涂层进行优化能够有效提高集热器的工作效率。选择性吸收涂层的主要吸收机理为本征吸收和干涉吸收,提升涂层吸收效率的策略有材料掺杂、等离激元、光学陷阱等。在集热器实际工作过程中,选择性吸收涂层的失效是影响其效率的主要因素,明确失效原因和寻找解决方案是进一步研究选择性吸收涂层的重点。综述了太阳能选择性吸收涂层的种类及原理,梳理了涂层的失效机制,总结了抑制涂层失效的方法。

W-AlN高温太阳光谱选择吸收涂层的结构优化与实验验证

选取W-AlN金属-介质型选择性吸收涂层为研究对象,用金属W作为红外反射层,W-AlN作为吸收层,AlN作为减反层,利用Mathematica软件对该涂层的金属W体积分数和吸收层、减反层的厚度等参数进行优化计算,优化结果表明:吸收层中金属W的体积分数对涂层的选择吸收性能有直接影响;与高金属吸收层相比,低金属吸收层的厚度对涂层选择吸收性能的影响较显著;低/高金属吸收层中金属W体积分数的最优值分别为0.2/0.8,而最优厚度分别为0.1/0.05mm,此时涂层的吸收率为0.841,发射率为0.021;加入厚度为0.06mm的AlN减反层后,吸收率达到0.920,发射率为0.022;加入厚度适当的减反层可以有效提高涂层的吸收率,同时也会使发射率随之增加;增加减反层和低金属吸收层厚度都会使涂层的反射率骤升阈值波长发生红移.利用磁控溅射方法在抛光的不锈钢表面制备了W/W-AlN/AlN选择吸收涂层,各层膜厚度和吸收层中金属体积分数都严格遵循优化结果,测试所得涂层的反射率曲线、吸收率和发射率均与优化结果符合良好.

金属电介质选择性吸收涂层的研究进展

介绍了涂层设计及计算,通过理论计算,聚焦式集热器能够实现热发电等对涂层表面温度的要求。当聚光比达到50倍时,涂层表面的最高工作温度达到了799℃。综述了M-Al2O3型结构涂层、金属氧化物涂层和金属氮化物涂层三种金属电介质选择性吸收涂层的研究现状,分析认为合理的涂层结构、涂层材料及基体材料是影响涂层性能的主要因素,并指出了此类涂层今后的研究方向。

中高温太阳光谱选择性吸收涂层的研究进展

近年来,中高温太阳光谱选择性吸收涂层(以下简称为中高温吸收涂层)的研制及其在工业上的应用成为人们日益关注的焦点。本文在分类总结中高温吸收涂层的基本类型、作用机理和制备方法的同时,介绍了国内外不少科研工作者的研究工作和最新成果,并对中高温吸收涂层的制备方法优缺点及其发展方向进行了探讨。

干涉型太阳选择性吸收涂层的光学性能设计

利用等效媒质理论对铝复合单层膜的光学性能进行计算并以此为基础优化设计了具有干涉效应的铝复合选择性吸收涂层。该吸收层为两层时膜系光谱曲线具有最明显的干涉效应，与多层吸收层膜系相比其发射率低，吸收率二者相同，随温度的升高，发射率的变化前者较后者缓慢。实际制备了金属填充因子ｆＡｌ为０．３８、０．２４的铝复合膜为吸收层，ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３为减反射膜构成的膜系，其光谱曲线与优化的理论曲线吻合较好。

Mo-SiO_2太阳选择性吸收涂层的空气高温热稳定性

采用磁控溅射的方法制作Mo-SiO_2太阳能选择性吸收涂层,测量了涂层经过空气高温退火前后在0.34～25μm波长范围内反射曲线的变化情况。刚沉积完的涂层,太阳吸收比达到0.95,发射比为0.093。在空气中500、600℃退火1h后,涂层反射曲线基本不变。在空气中700℃退火1h后,涂层光谱选择性恶化,太阳吸收比下降到0.91,发射比上升到0.6。通过扫描电子显微镜观察了单层Mo、单层SiO_2以及SiO_2覆盖Mo的样片薄膜在空气中不同温度退火前后的形貌变化,发现以上薄膜表面不再平整,甚至出现裂纹和薄膜脱落,成为Mo-SiO_2选择性吸收特性恶化的主要原因。

太阳能光谱选择性吸收涂层研究进展

太阳能是一种永不枯竭的清洁能源,目前,实现太阳能直接利用的方式主要是光-热转化技术。光谱选择性吸收涂层是光-热利用技术的核心。从光谱选择性吸收涂层的选择性吸收机理出发,阐述了涂层选择性吸收的理论依据。根据相应的理论,详细阐述了光谱选择性吸收涂层的结构。同时,综述了国内外光谱选择性吸收涂层的制备方法以及相关的研究进展。

CuCoMnO_x光谱选择性吸收涂层的研究

以丙烯酸改性聚氨酯为粘结剂,CuCoMnOx半导体复合氧化物为颜料,采用喷涂法制备了光谱选择性吸收涂层。考察了颜料与粘结剂的质量比〔简称颜基比(P/B),下同〕、球磨时间、温度、底材和膜层厚度等因素对涂层光热性能的影响。结果表明,颜基比为3∶1,球磨时间9～12 h,Al作底材,膜层厚度1.9μm时所得涂层的吸收率αs=0.936,发射率εT=0.312,αs/εT=3.0。经测定,涂层具有较强的机械性能、耐腐蚀性能和耐候性能。

两种太阳能选择性吸收涂层的综合评价

将全生命周期评价的基本方法和传热模型相结合,以市场上较为普遍的两种分别使用电镀法和物理气相沉积法(PVD)制作的太阳能选择性涂层为例,综合分析不同情景下使用这两种涂层的太阳能集热器的热利用效率、环境成本和综合能源价格。结果表明:物理沉积法所制涂层虽然制备成本较高,但生产过程对环境友好,同时该涂层在多种情景下的适用面相对更广,具有更好的经济性。

M-AlN太阳选择性吸收涂层的研制

为提高在高温条件下选择性吸收涂层的性能 ,采用金属粒子注入介质基体中形成的金属陶瓷 ( cermet)作吸收材料 ,制成金属陶瓷复合薄膜 ,它具有优良的光学性能和热稳定性。根据对金属陶瓷膜系的光学性能进行理论计算的结果 ,采用磁控多靶反应共溅射的方法对膜系进行反演寻优工艺实验。实验结果表明 ,优化后的涂层吸收率 α>0 .9,发射率 ε( 35 3K) <0 .1。当温度高于 35 0℃时性能稳定 ,吸收率α变化不大 ,而发射率ε不超过 0 .1。与多层渐变吸收涂层相比 ,金属陶瓷选择性吸收涂层具有膜系结构简单、高温条件下性能稳定、发射率较低等优点。该涂层适用于低倍聚光真空管集热器。

粉末火焰喷涂法制备黑铬太阳能选择性吸收涂层的实验研究

采用粉末火焰喷涂法制备的黑铬太阳能选择性吸收涂层，工艺简单，成本低，性能稳定，光谱选择性好。其可见光谱区的吸收率为０．９１，红外光谱区的发射率为０．１５。

金属表面粗糙度对太阳能选择性吸收涂层性能的影响

对金属表面粗糙度与制备太阳能选择性吸收涂层性能(吸收比α(AM1.5),发射比ε_(n)(80℃))之间的关系进行实验,在对实验数据进行分析后得出,金属表面粗糙度与制备涂层发射比间存在线性关系,对制备涂层吸收比影响较小。实际生产中,选择粗糙度值在0.10μm较为合适。

Co_3O_4-CoAl_2O_4薄膜的热处理温度对Co-WC选择性涂层吸收性能的影响规律研究

目的提高Co-WC太阳能选择性吸收涂层的吸收性能。方法采用溶胶-凝胶法在超音速火焰喷涂(HVOF)制备的Co-WC涂层上涂覆Co_3O_4-CoAl_2O_4薄膜。在大气环境下,对样品进行梯度温度热处理,通过XRD表征在不同热处理温度下涂层的组成成分;利用FE-SEM和表面粗糙度仪观察涂层表面微观结构和测量涂层表面粗糙度;通过天平称量涂层质量变化来评价Co_3O_4-CoAl_2O_4涂层在不同温度下的服役性能;借助EDS分析Co_3O_4-CoAl_2O_4涂层的元素分布情况;使用UV-Vis-NIR分光光度计测试涂层的吸收性能。结果经过Co_3O_4-CoAl_2O_4薄膜改善后,Co-WC涂层的吸收性能提高。其中在650℃热处理温度下,Co_3O_4-CoAl_2O_4涂层的吸收率最佳,α=0.901,表面为典型的尖晶石结构,晶粒尺寸细小,表面粗糙度为3.519μm。650℃热处理温度下,Co_3O_4-CoAl_2O_4涂层在40 h抗超声震荡实验和20次抗热震实验中,相比其他热处理温度下的样品,质量变化最小,分别为14.9 mg和0.5 mg,且涂层的吸收率维持在0.89左右。结论Co_3O_4-CoAl_2O_4薄膜通过选取合适的热处理温度,可以在改善Co-WC涂层表面状态的同时,一定程度上提高吸收性能。

SiO_2/CrO_x/CrN_y/Al太阳能选择性吸收涂层盐雾腐蚀性能分析

对SiO_2/CrO_x/CrN_y/Al型太阳能光谱选择性吸收涂层的盐雾腐蚀性能进行测试。在35℃下经质量分数为1%、3%、5%的NaCl盐雾处理一系列时间后采用UV、VIS、NIR、FTIR、SEM等方法表征该涂层腐蚀后光学性能及表面形貌的变化。结果表明经不同浓度的NaCl盐雾腐蚀后涂层出现表面粗糙度增加、白色斑点、起泡等缺陷。光学性能的衰减规律为:吸收比呈指数衰减,发射比初期迅速增加,然后进入钝化期,最后进入过钝化期而再次迅速增加。