鈮硅基中高溫選擇性吸收涂層的穩(wěn)定性研究結(jié)題摘要

中高溫選擇性吸收涂層是槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的核心，要求太陽(yáng)光譜可見(jiàn)光到近紅外范圍內(nèi)具有高的吸，同時(shí)在紅外波段具有較低的發(fā)射率，能有效地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能；傳統(tǒng)的單一金屬陶瓷的高溫穩(wěn)定性制約了該技術(shù)在大氣下使用的規(guī)?；茝V，本項(xiàng)目采用高溫穩(wěn)定的鈮硅金屬間化合物取代傳統(tǒng)的Mo、W等單一金屬，利用金屬間化合物的高溫穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)涂層的穩(wěn)定性，結(jié)果表明： 氮摻雜和ITO摻雜能有效構(gòu)建出不同消光系數(shù)和折射率的單層膜，軟件模擬和實(shí)際制備均得到了高吸收低發(fā)射的涂層，最佳性能：吸收率為95.27%，發(fā)射率為4.2%；研究了Nb-Si-N和Nb5Si3-ITO薄膜致密性和高溫穩(wěn)定性的關(guān)系，得到致密性是高溫穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，氮摻雜和ITO摻雜均能有效的提高涂層的穩(wěn)定性。通過(guò)研究退火前后Nb5Si3-ITO膜層厚度的變化，得到大氣條件下高溫穩(wěn)定性變差是吸收層被氧化造成的； 以Nb5Si3-ITO為基礎(chǔ)研究了不銹鋼襯底上制備選擇性吸收涂層的光學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，并對(duì)膜層進(jìn)行了優(yōu)化，降低500℃的發(fā)射率。制備在Mo-Ag為紅外高反射層上的涂層初始光學(xué)性能最優(yōu) (α=95.27%，εRT=4.2%)，但含銀的涂層大氣熱穩(wěn)定性較差。Mo為紅外高反射層的涂層具有最佳的熱穩(wěn)定性， 500℃/120 h退火后吸收率僅下降0.41%，發(fā)射率僅上升0.1%；通過(guò)改進(jìn)膜系結(jié)構(gòu)，500℃發(fā)射率由19.4%下降到11.3%；改良涂層依然具有較好的高溫穩(wěn)定性，大氣下500℃退火120 h后，光學(xué)性能幾乎保持不變 (α=93.18%，εRT=8.5%，ε500℃=12.5%)。 2100433B

太陽(yáng)能中高溫選擇性吸收涂層是太陽(yáng)能中高溫利用的關(guān)鍵材料，除了需要具有較高的吸收率和較低的發(fā)射率，高溫穩(wěn)定性是制約其實(shí)用化的一大障礙。傳統(tǒng)中高溫選擇性吸收涂層采用金屬鉬和鎢等單質(zhì)金屬納米粒子為吸收粒子，大氣穩(wěn)定性差；金屬間化合物原子間的鍵合不僅有金屬鍵，也包括離子鍵和共價(jià)鍵，具有較強(qiáng)的高溫穩(wěn)定性。.本項(xiàng)目擬采用高溫穩(wěn)定的鈮硅金屬間化合物為吸收粒子，分別采用鈮硅的氮化物和氧化銦錫作為介質(zhì)材料，形成介質(zhì)材料包覆納米粒子的吸收層。首先分析低溫發(fā)射率和高溫發(fā)射率的區(qū)別，研究填充因子、膜系結(jié)構(gòu)對(duì)高溫發(fā)射率的影響，對(duì)膜系進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)和光譜裁剪，降低涂層高溫發(fā)射率；其次對(duì)涂層熱處理前后的結(jié)構(gòu)、成分、界面狀態(tài)等分析，得到高溫條件下膜層性能退化機(jī)理，重點(diǎn)研究氮元素和易結(jié)晶氧化銦錫摻入對(duì)膜層致密性的影響，以及致密性和高溫穩(wěn)定性的關(guān)系。本課題的研究將為降低發(fā)射率和提高涂層穩(wěn)定性開(kāi)辟新的路徑，具有重大的科學(xué)意義。

中高溫太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，是太陽(yáng)能光-熱轉(zhuǎn)換設(shè)備的關(guān)鍵材料。我們采納由減反射金屬層，金屬陶瓷吸收層(雙層)和紅外反射金屬層組成的復(fù)合膜層結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)考慮如Cu/Mo(W)-Al2O3(AlN)/Al2O3(SiO2)膜系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制備。應(yīng)用多弧離子鍍，射頻,中頻直流磁控濺射技術(shù)在碳鋼或不銹鋼基片上制備涂層，通過(guò)制備工藝優(yōu)化，金屬陶瓷吸收層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，和該多層復(fù)合膜的膜系結(jié)構(gòu)和層內(nèi)微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與調(diào)控，結(jié)合有效介質(zhì)理論的計(jì)算模擬與反演優(yōu)化，提高其太陽(yáng)能吸收率，改善涂層高溫條件下的熱穩(wěn)定性，并保證其低的紅外發(fā)射率，獲得更長(zhǎng)的使用壽命。通過(guò)金屬粒子熱擴(kuò)散規(guī)律與機(jī)制的研究，以及氧化物介質(zhì)分解規(guī)律與機(jī)理分析，獲得提高涂層熱穩(wěn)定性的方法與途徑，最終確立符合實(shí)際應(yīng)用要求的制備工藝，材料組合，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與光學(xué)性能。揭示工藝、性能與微結(jié)構(gòu)間的關(guān)系及其機(jī)理，為開(kāi)發(fā)中高溫使用的太陽(yáng)能選擇吸收涂層提供實(shí)驗(yàn)與理論依據(jù) 2100433B

太陽(yáng)集熱器是太陽(yáng)熱能利用系統(tǒng)的核心裝置；在太陽(yáng)集熱器中應(yīng)用特定的光譜選擇性涂層，能有效地提高集熱器的效率。本書(shū)對(duì)這類涂層的工作原理、制備方法及性能檢測(cè)等問(wèn)題作了較系統(tǒng)的敘述。全書(shū)共分八章，主要內(nèi)容為：熱輻射基礎(chǔ)知識(shí)；光譜選擇性涂層的工作原理；光譜選擇性涂層的制備方法；選擇性吸收涂層及選擇性透射涂層；熱發(fā)射率及太陽(yáng)吸收率的檢測(cè)等。

本書(shū)主要讀者對(duì)象為從事太陽(yáng)能利用研究的科技人員，也可作為高等院校中工程熱物理專業(yè)及材料科學(xué)等專業(yè)師生參考。