一种高温抗氧化太阳能选择性吸收涂层及其制备方法与流程

本发明涉及太阳能光热发电，具体涉及一种高温抗氧化太阳能选择性吸收涂层及其制备方法。

背景技术：

1、太阳能选择性吸收涂层是太阳能集热器的核心部件，其性能直接决定光热转换效率。理想的涂层应具备高的太阳光谱吸收率（0.3~2.5 μm）和低的热发射率（中远红外波段）。在实际应用中，特别是中高温场景（400~600℃），涂层面临两大技术难题：

2、其一，红外反射层的高温失效问题。现有涂层普遍采用金属层（如cu、al、w、mo）作为红外反射层，以降低热发射率。然而在高温空气环境下，这些金属容易发生氧化；同时，金属原子在高温下向吸收层扩散，导致吸收层成分改变、光学性能恶化。虽然真空集热管通过内外管抽真空部分缓解了该问题，但制备成本高、工艺复杂，且一旦真空度下降涂层性能即迅速衰减。

3、其二，各层之间的界面匹配性问题。多层膜系结构中，相邻层材料体系不同时，热膨胀系数差异会导致高温热应力，进而引起膜层开裂或剥落；折射率突变则会造成界面反射损失，降低吸收率。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种高温抗氧化太阳能选择性吸收涂层及其制备方法，通过在吸收层中引入zr构建四元tizraln/tizralon体系、以aln作为扩散阻挡层和钝化层、以纯cu作为红外反射层，并采用al2o3作为减反层，实现在高温大气环境下的优异光学性能和长期稳定性。

2、本发明的第一方面，提供一种高温抗氧化太阳能选择性吸收涂层，该涂层包括在基体上由内到外依次设置的tialn隔离层、复合红外反射层、tizraln/tizralon梯度吸收层和al2o3减反层；其中，

3、所述复合红外反射层由第一tialn钝化膜、cu红外反射膜和第二tialn钝化膜构成；

4、所述tizraln/tizralon梯度吸收层由tizraln第一亚层和tizralon第二亚层构成。

5、进一步地，所述tialn隔离层含有如下原子百分比的组分：ti 32%~38%，al 24%~28%，n 36%~42%；所述tialn隔离层的厚度为15~25 nm。

6、进一步地，所述第一tialn钝化膜和所述第二tialn钝化膜的厚度均为15~25 nm；所述cu红外反射膜的厚度为50~80 nm，纯度≥99.99%。

7、进一步地，所述tizraln第一亚层含有如下原子百分比的组分：ti 18%~25%，zr10%~16%，al 20%~28%，n 38%~46%，其中ti+zr的总量为32%~38%；所述tizraln第一亚层的厚度为25~40 nm。

8、进一步地，所述tizralon第二亚层含有如下原子百分比的组分：ti 14%~20%，zr8%~14%，al 18%~24%，o 16%~24%，n 28%~36%；所述tizralon第二亚层的厚度为38~58 nm。

9、进一步地，所述al2o3减反层的厚度为60~85 nm，纯度≥99.99%。

10、进一步地，所述基体为抛光不锈钢、铜或铝，表面粗糙度值ra≤2 nm。

11、本发明的第二方面，提供上述的高温抗氧化太阳能选择性吸收涂层的制备方法，包括以下步骤：

12、步骤1，对基体进行预处理；

13、步骤2，采用多弧离子镀方法在所述基体上沉积tialn隔离层；

14、步骤3，采用直流磁控溅射方法在所述tialn隔离层上依次沉积第一tialn钝化膜、cu红外反射膜和第二tialn钝化膜，形成复合红外反射层；

15、步骤4，采用中频磁控溅射方法在所述复合红外反射层上依次沉积tizraln第一亚层和tizralon第二亚层，形成tizraln/tizralon梯度吸收层；其中，从沉积所述tizraln第一亚层切换至沉积所述tizralon第二亚层时，通过逐步增加o2流量并同步降低n2流量的方式实现连续过渡；

16、步骤5，采用射频磁控溅射方法在所述tizralon第二亚层上沉积al2o3减反层；

17、步骤6，将所得涂层冷却至室温后取出。

18、进一步地，步骤2中，沉积所述tialn隔离层的工艺参数为：基体温度350~450℃，工作气压0.4~0.8 pa，偏压150~250 v，沉积电流密度0.3~0.5 a/cm²，沉积时间1~2分钟；

19、进一步地，步骤3中，沉积所述第一tialn钝化膜和第二tialn钝化膜的工艺参数为：以ar和n2为工作气体，体积比n2/(ar+n2)=50%~70%，工作气压0.3~0.6 pa，ti靶功率150~250 w，al靶功率120~200 w，沉积时间2~4分钟；沉积所述cu红外反射膜的工艺参数为：以ar为工作气体，气压0.2~0.4 pa，cu靶功率200~350 w，沉积速率控制在8~15 nm/min，沉积时间3~8分钟。

20、进一步地，步骤4中，沉积所述tizraln第一亚层时，以ar和n2为工作气体，体积比n2/(ar+n2)=50%~70%，工作气压0.4~0.7 pa，温度350~450℃，ti靶功率150~220 w，zr靶功率80~150 w，al靶功率120~200 w，沉积时间5~9分钟，且通过调节ti靶与zr靶的功率比使ti/zr原子比为1.5~2.5:1；

21、进一步地，步骤4中，沉积所述tizralon第二亚层时，以n2和o2为工作气体，体积比o2/(n2+o2)=20%~40%，工作气压0.5~0.8 pa，ti靶功率100~180 w，zr靶功率60~120 w，al靶功率100~160 w，沉积时间8~13分钟；所述切换过程中的渐变时间为1~2分钟；

22、进一步地，步骤5中，沉积所述al2o3减反层时，以al2o3陶瓷靶为靶材，ar和o2为工作气体，体积比o2/(ar+o2)=20%~40%，工作气压0.3~0.6 pa，溅射功率150~250 w，沉积时间10~16分钟。

23、相比现有技术，本发明至少包括以下有益效果：

24、（1）优异的光学性能：通过七层梯度结构设计，各层折射率从基体到表面逐步递减，有效抑制了界面反射损失。tizraln/tizralon吸收层中，zr的引入增加了d带电子态密度，丰富了带间跃迁通道，有利于拓宽太阳光谱吸收范围。

25、（2）出色的高温抗氧化能力：采用tialn/cu/tialn复合红外反射层结构，cu反射膜被两侧tialn钝化膜完整包裹，tialn在550℃空气中具有高热稳定性，且可作为cu的有效扩散阻挡层；tialn在真空10-5pa条件下退火至700℃时相组成保持不变。tialn隔离层阻断了基体中有害元素的向外扩散。顶部al2o3减反层化学性质稳定、致密，兼作抗氧化保护层。三重保护机制使涂层可在500~600℃空气中长期稳定工作。

26、（3）优异的界面稳定性和热匹配性：隔离层（tialn）、钝化层（tialn）、吸收层第一亚层（tizraln）、吸收层第二亚层（tizralon）构成了从ti-al-n到ti-zr-al-n再到ti-zr-al-o-n的连续成分渐变链。相邻层之间共享ti、al、n等元素，化学相容性优异，不存在异质界面突变，极大降低了界面应力和高温热循环下的剥落风险。

27、（4）制备工艺成熟可规模化：多弧离子镀+磁控溅射的组合工艺技术成熟，易于实现连续化生产。所用靶材均为常见商业靶材（ti、zr、al、cu），不涉及稀缺或昂贵元素。