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耐高温太阳光谱选择性吸收涂层获系列进展
2017-06-15 15:05   审核人:   (点击: )

金属纳米粒子嵌入到陶瓷基体中组成的金属陶瓷薄膜是太阳光谱选择性吸收涂层的核心工作层,其热稳定性和综合光学性能直接决定着整个涂层的光热转换效率。高温下,金属陶瓷膜内金属纳米粒子的团聚、长大、氧化及涂层内层间原子的扩散迁徙,往往会导致成分和微结构的变化,从而诱发涂层光学性能的衰减 (不可逆性)。如何解决上述问题,构建热稳定性优异、热发射率低且吸收率高的太阳光谱选择性吸收涂层,是光热技术应用所面临的重要材料基础问题。

近年来,中国科学院宁波材料技术与工程研究所功能薄膜与智构器件团队聚焦新型金属陶瓷基太阳光谱选择性吸收涂层研发,以提升热稳定性为抓手,在新型耐高温金属陶瓷材料设计、光学模拟、涂层构筑和热稳定性强化机理研究等方面开展了一系列的工作。前期,利用金属Al合金化Ag纳米粒子,结合多靶共溅射的方法,获得新型AgAl-Al2O3金属陶瓷薄膜,耐热温度较Ag-Al2O3(350°C)提高至500°C,在非真空条件下经高温长时间退火(~1000 h),光学性能非常稳定(ACS Applied Materials Interfaces 2014, 6, 11550; Applied Surface Science 2015, 331, 285)。以AgAl-Al2O3金属陶瓷薄膜作为吸收层,成功构建了AgAl-Al2O3太阳光谱选择性吸收涂层。在氮气气氛下经500°C退火1002 h,其太阳光谱吸收率稳定在95%左右,400°C红外发射率约在10-11%,如图1所示(Advanced Materials Interfaces 2016, 3, 1600248)。

目前国内外研究人员积极开发基于熔融盐(如60% KNO3+40% NaNO3)热工质的高温太阳能热发电系统,其工作温度常在550°C以上,客观上对太阳光谱选择性吸收涂层提出了更为苛刻的要求,如何获得600°C下具备优异热稳定性的太阳光谱选择性吸收涂层是亟需攻克的难题之一。此外,伴随工作温度的升高,如何抑制高温下热辐射损失显得愈发重要。基于前期的研究基础,研究组开发出另一种新型金属陶瓷薄膜WTi-Al2O3。借助光学模拟设计,获得太阳光谱选择性吸收涂层结构参数的优化范围,构建了WTi-Al2O3太阳光谱选择性吸收涂层。经600°C长时间(840 h)退火,WTi-Al2O3涂层仍保持较高的吸收率~93%,500°C下的热发射率仅有10.3%,远低于文献报道值(>13%@500°C)。研究表明,WTi合金纳米粒子内金属Ti的外扩散、偏析及部分氧化可有效抑制W纳米粒子的团聚和长大,从而提高涂层的热稳定性,实现对WTi-Al2O3太阳光谱选择性吸收涂层光学性能和热稳定性的双重调控(Nano Energy 2017, 37, 232),如图2所示。

上述研究方法不同于传统的靠引入难熔合金、高熔点金属间化合物等思路,主要策略是借助热处理条件下合金纳米粒子自钝化效应来提升太阳光谱选择性吸收涂层的热稳定性,该思路可拓展应用到其它合金纳米粒子体系。以上工作得到国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、江苏省重点研究和发展计划、浙江省重点实验室和宁波市科技创新团队等项目的资助。

图1. AgAl-Al2O3金属陶瓷基太阳光谱选择性吸收涂层热稳定性强化机理示意图和热处理前后反射光谱变化图

图2. WTi-Al2O3金属陶瓷基太阳光谱选择性吸收涂层在600°C退火前后反射光谱变化图、微结构和热强化机理示意图

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