Al2O3:Cr基中高温太阳光谱选择性吸收涂层膜系设计及性能研究

作     者：杨子键 

作者单位：中国建筑材料科学研究总院 

学位级别：硕士

导师姓名：祖成奎;刘静

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：中高温 光谱选择性吸收 磁控溅射法 光学设计 

摘      要：论文系统研究了AlO:Cr基中高温太阳光谱选择性吸收涂层的各功能层的光学性能、成分结构等,结合光学设计软件,成功制备出完整膜系,涂层具有优异的吸收率、发射率及中高温热稳定性,适用于中高温光热应用领域。论文采用脉冲直流磁控溅射法,在不同的基片温度下制备了金属钨薄膜,并对钨薄膜的反射光谱、电学性能、晶体结构、表面形貌等进行了分析。随后针对吸收层AlO:Cr涂层,通过调整磁控溅射气氛中的氧气流量在0.5～2 sccm之间,分别采用合金Cr Al(70:30at%)、Cr Al(55:45at%)靶材制备了一系列的AlO:Cr(high-metal-volume fraction,HMVF)、AlO:Cr(low-metal-volume fraction,LMVF)涂层,采用椭圆偏振光谱仪、X光电子能谱(XPS)等测试表征手段,研究了氧气流量对单层AlO:Cr薄膜的光学性能及成分的影响。根据各功能层的光学常数,利用TFCalc光学设计软件设计出了具有优异光谱选择性吸收特性的AlO:Cr中高温太阳光谱选择性吸收涂层,并以设计结果为基础,采用磁控溅射连续镀膜法,在304镜面不锈钢基片上制备出了完整膜系,膜系结构为W/AlO:Cr(HMVF)/AlO:Cr(LMVF)/Si O2。最后采用分光光度计、傅里叶红外光谱仪(FTIR)研究了涂层的吸收率α和发射率?;采用SEM、XRD及光谱分析等方法系统研究了涂层在真空和大气环境下的热稳定性,给出了造成涂层退火前后吸收性能发生变化的主要因素。论文得到的主要结论为:1、通过薄膜沉积过程中基片加热的方法,在较小的薄膜厚度150 nm时,将薄膜中的亚稳相β-W全部晶型转变为稳定相BBCα-W,α-W具有[110]方向择优取向,薄膜的500℃发射率低于0.07。这种方法相比于目前普遍采用增加膜厚或模板生长等方法获得BBCα-W,更适合应用于中高温太阳光谱选择性吸收涂层的红外反射层规模化制备。2、AlO:Cr基中高温太阳光谱选择性吸收涂层外观为墨绿色,未出现明显的脱落、裂纹等现象,吸收层为折射率由下至上递减的AlO:Cr(HMVF)和AlO:Cr(LMVF),涂层对太阳光谱的吸收率可高达96.1%,同时涂层发射率为8%(400℃),太阳光谱选择性吸收性能优异。涂层表面由粒径为200～400 nm之间的不规则颗粒组成,由于两个吸收亚层的成分相近,吸收层间无明显界面,吸收层材料及减反层材料均为无定形非晶体。3、涂层在400℃真空或大气环境下退火100 h,光学性能基本不变,光热转化效率仍保持在约90%,中高温热稳定性优异;大气环境退火温度升高至500℃后,涂层的吸收率α降低至87.5%,发射率?升至11.7%,涂层的光热转化效率降低至78.4%,结构分析发现,造成大气下涂层性能下降的主要因素是吸收层中AlO:Cr组分被氧化所致。