一种复合结构金属陶瓷光热转换涂层及其制备方法技术

本发明专利技术属于特种涂层制备技术领域，提供了一种复合结构金属陶瓷光热转换涂层及其制备方法。该涂层由下到上包括：316不锈钢基体、Cr红外反射层、AlCrON纳米复合吸收层和AlCrO减反射层。其中，AlCrON吸收层由AlN、CrN纳米粒子和非晶电介质交替自组织形成，AlN、CrN纳米粒子呈规则分层化排列，并与非晶电介质基体形成了多个调制周期。本发明专利技术复合结构金属陶瓷光热转换涂层可复合氮化物优异的热稳定性和金属陶瓷涂层高的光谱选择吸收性能；本发明专利技术所采用的制备方法和技术工艺简单，成本低，沉积效率高，过程可控，适用于大规模的工业化生产。适用于大规模的工业化生产。适用于大规模的工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种复合结构金属陶瓷光热转换涂层及其制备方法


[0001]本专利技术属于特种涂层制备
，涉及一种耐高温金属陶瓷基光热转换涂层的微结构设计及其制造方法。

技术介绍

[0002]随着经济社会的不断发展，对能源的需求急剧增加，而可利用的非再生能源，如煤炭、石油、天然气等化石能源日益减少，且伴随着严重的环境污染，因此，发展清洁、可再生新能源对于人类社会的可持续发展具有重大意义。太阳能以其清洁、无污染和储量巨大等优点，在新能源的开发利用中颇具优势，其中太阳能光热应用是太阳能利用最简单、最直接、最有效的途径之一，且兼具高的转换效率和经济性，还能够兼容现有的能源建设系统。然而，太阳光到达地球后能量密度较小且不连续，必须使用光热转换涂层对太阳光进行富集，以便最大限度地利用太阳能。因此，光热转换涂层也被公认为是太阳能热利用的“核芯”。
[0003]光热转换涂层是一类对太阳光具有选择吸收效果的特种涂层，即在太阳光谱范围(0.3
‑
2.5μm)具有高吸收比，在红外波段(2.5
‑
25μm)具有低发射比，从而能够高效地将太阳光转换为热能。同时，随着太阳能热利用技术的不断发展，要求光热转换涂层还必须兼具良好的热稳定性，如基于熔融盐介质的槽式太阳能热发电系统要求工作温度达550℃以上，如此高温会加剧原子的扩散以及与环境气体的反应，造成光热转换涂层选择吸收性能的衰减，甚至完全丧失。
[0004]在现有的光热转换涂层中，由金属纳米颗粒嵌于陶瓷电介质形成的金属陶瓷涂层，可以通过控制纳米粒子含量、尺寸和形状等，获得高的选择性吸收效果，是应用最为广泛的光热转换涂层，如CN106167892B、CN102954611A、CN103528251B、CN102653151A、CN109883073B等专利设计了多层金属陶瓷结构光热转换涂层，其缺点在于：在高于500℃环境下长时间服役时，易发生层间原子的扩散迁徙，致使涂层中的纳米粒子发生团聚、长大和氧化等不稳定行为，进而诱发涂层选择吸收性能的不可逆衰减，即金属陶瓷光热涂层的高温热稳定性不足。因此，发展选择吸收性和热稳定性俱佳的金属陶瓷涂层成为了大规模推广太阳能光热应用的技术瓶颈。
[0005]基于现有制备技术中存在的主要问题，一种工艺简单，500℃以上大气环境下的热稳定性强，同时还能兼顾光谱选择吸收性能和热稳定性的双重调控的纳米复合结构涂层是目前行业内急需的。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术中存在的缺点与不足，本专利技术提供了一种纳米复合结构金属陶瓷光热转换涂层，该涂层自下而上包括Cr红外反射层、AlCrON纳米复合吸收层和AlCrO减反射层，其中AlCrON纳米复合吸收层为典型的纳米复合结构，可在600℃以上大气环境稳定工作1500h以上，并且涂层对太阳光的吸收率可达～93％，发射率也仅有～10％，并且易于调
控吸收光谱。
[0007]本专利技术的另外一个目的在于提供上述纳米复合结构光热转换涂层的制备方法；该方法利用多弧离子镀方法制备AlCrON纳米复合涂层，通过涂层的成分和结构设计，使涂层兼具纳米复合多层结构，利于微结构、物相和光学性能的调控，能够综合多种吸收机制，从而得到一种兼具高光谱选择吸收性能和热稳定性的金属陶瓷光热转换涂层。
[0008]本专利技术的目的通过下述技术方案实现：
[0009]一种复合结构金属陶瓷光热转换涂层，该涂层自下而上包括：
[0010]316不锈钢基体、Cr红外反射层、AlCrON纳米复合吸收层和AlCrO减反射层；其中：
[0011]AlCrON纳米复合吸收层是由AlN、CrN纳米粒子和非晶电介质基体沉积而成的纳米复合结构，涂层总厚度为100nm；
[0012]AlN、CrN纳米粒子呈分层化分布，厚度为3～6nm；
[0013]非晶电介质基体单层厚度为4～8nm，纳米粒子和非晶呈周期分布；
[0014]AlCrON纳米复合吸收层中金属陶瓷成分体积占比为1:3～3:4。
[0015]本专利技术还公开了一种复合结构金属陶瓷光热转换涂层的制备方法，包括：
[0016](1)清洗基体：将机械抛光好的316不锈钢片分别用丙酮和无水乙醇超声清洗，烘干后备用；
[0017](2)抽真空：将316不锈钢片固定在多弧离子镀设备炉室中的旋转支架上，关闭炉门，开启转架自旋，真空室加热至200～300℃；
[0018](3)等离子体刻蚀清洗：真空度达到要求后，通入高纯Ar，并施加偏压，在0.4～0.8Pa的炉室中清洗5～10min；
[0019](4)红外反射Cr的沉积：开启Cr靶电源，调节Ar流量，使炉室气压保持在0.4～0.8Pa，施加基体偏压并保持5～10min；
[0020](5)AlCrON纳米复合吸收层的沉积：开启AlCr靶电源，通入20～50sccm的O2，调节N2流量，使炉室气压保持在0.4～0.8Pa，施加基体偏压并保持2～5min；
[0021](6)AlCrO减反射层的沉积：开启AlCr靶电源，通入100～150sccm的O2，调节Ar流量，使炉室气压保持在0.4～0.8Pa，施加基体偏压并保持2～5min；
[0022](7)沉积结束，依次关闭电弧靶电源、偏压电源、气阀、加热电源，待真空室温度降至室温后开启炉门，取出样品，获得复合结构金属陶瓷光热转换涂层。
[0023]进一步地，步骤(1)所述超声清洗时间为20～30min。
[0024]进一步地，步骤(2)所述转架自旋的转速为4～8r/min；所述真空室真空度为3.0
×
10
‑3～6.0
×
10
‑3Pa。
[0025]进一步地，步骤(3)所述Ar纯度为100～200sccm；所述施加的偏压为
‑
600～
‑
1000V。
[0026]进一步地，步骤(4)所述Cr靶电源的电流为80～110A；所述施加的基体偏压为
‑
100～
‑
150V。
[0027]进一步地，步骤(5)所述AlCr靶电源的电流为60～100A；所述施加的基体偏压为
‑
100～
‑
150V。
[0028]进一步地，步骤(6)所述AlCr靶电源的电流为60～100A；所述施加的基体偏压为
‑
100～
‑
150V。
[0029]本专利技术还公开了一种根据任一上述制备方法制得的复合结构金属陶瓷光热转换涂层。
[0030]本专利技术还公开了一种根据上述复合结构金属陶瓷光热转换涂层在太阳能高温热利用领域中的应用。
[0031]本专利技术的原理：本专利技术采用离子源辅助多弧离子镀技术，主要利用阴极电弧等离子体空间分布不均匀的特性，靠近靶面法向的低角度区域离子浓度高，高角度区域离子浓度低，Cr
+
由于质量大、扩散速度慢，主要集中于靶表面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合结构金属陶瓷光热转换涂层，该涂层自下而上包括：316不锈钢基体、Cr红外反射层、AlCrON纳米复合吸收层和AlCrO减反射层；其中：AlCrON纳米复合吸收层是由AlN、CrN纳米粒子和非晶电介质基体沉积而成的纳米复合结构，涂层总厚度为100nm；AlN、CrN纳米粒子呈分层化分布，厚度为3～6nm；非晶电介质基体单层厚度为4～8nm，纳米粒子和非晶呈周期性分布；AlCrON纳米复合吸收层中金属陶瓷成分体积占比为1:3～3:4。2.一种根据权利要求1所述的复合结构金属陶瓷光热转换涂层的制备方法，包括：(1)清洗基体：将机械抛光好的316不锈钢片分别用丙酮和无水乙醇超声清洗，烘干，得316不锈钢基体备用；(2)抽真空：将316不锈钢基体固定在多弧离子镀设备炉室中的旋转支架上，关闭炉门，开启转架自旋，真空室加热至200～300℃；(3)等离子体刻蚀清洗：真空度达到要求后，通入高纯Ar，并施加偏压，在0.4～0.8Pa的炉室中清洗5～10min；(4)红外反射Cr的沉积：开启Cr靶电源，调节Ar流量，使炉室气压保持在0.4～0.8Pa，施加基体偏压并保持5～10min；(5)AlCrON纳米复合吸收层的沉积：开启AlCr靶电源，通入20～50sccm的O2，调节N2流量，使炉室气压保持在0.4～0.8Pa，施加基体偏压并保持2～5min；(6)AlCrO减反射层的沉积：开启AlCr靶电源，通入100～150sccm的O2，调节Ar流量，使炉室气压保持在0.4～0.8Pa，施加基体偏压并保持2～5min；(7)沉积结束，依次关闭电弧靶电源...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓波，李克伟，宫殿清，
申请(专利权)人：晋中学院，
类型：发明
国别省市：