阅读说明：本技术 一种彩色太阳能吸收涂层及其制备方法 (Colored solar energy absorbing coating and preparation method thereof ) 是由 高祥虎 刘刚 于 2019-10-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种彩色太阳能吸收涂层,该涂层由抛光不锈钢片构成的吸热体基底、金属Al构成的红外反射层、MoNbHfZrTiN构成的主吸收层、MoNbHfZrTiNO构成的次吸收层和SiO<Sub>2</Sub>构成的减反射层组成。主吸收层是指采用等摩尔比的金属Mo、Nb、Hf、Zr、Ti通过熔炼法制备的MoNbHfZrTi高熵合金的氮化物；次吸收层是指采用等摩尔比的金属Mo、Nb、Hf、Zr、Ti通过熔炼法制备的MoNbHfZrTi高熵合金的氮氧化物。本发明还公开了该涂层的制备方法。本发明制备工艺简单、成本较低,所制备的彩色涂层在大气质量因子AM1.5条件下,吸收率≥0.91,发射率≤0.12,同时具有丰富的色彩,在太阳能热利用与建筑一体化领域具有广泛的实用价值和应用前景。(The invention relates to a colorful solar energy absorbing coating, which comprises a heat absorbing body substrate formed by polished stainless steel sheets, an infrared reflecting layer formed by metal Al, a main absorbing layer formed by MoNbHfZrTiN, a secondary absorbing layer formed by MoNbHfZrTiNO and SiO 2 And the formed antireflection layer. The main absorption layer is a nitride of MoNbHfZrTi high-entropy alloy prepared by adopting metals Mo, Nb, Hf, Zr and Ti with equal molar ratio through a smelting method; the secondary absorption layer is a nitrogen oxide of MoNbHfZrTi high-entropy alloy prepared by adopting metals Mo, Nb, Hf, Zr and Ti with equal molar ratio through a smelting method. The invention also discloses the coatingThe preparation method of (1). The preparation method is simple in preparation process and low in cost, and the prepared color coating has the advantages that the absorptivity is more than or equal to 0.91 and the emissivity is less than or equal to 0.12 under the condition of an atmospheric quality factor AM1.5, has rich colors, and has wide practical value and application prospect in the field of solar heat utilization and building integration.)

一种彩色太阳能吸收涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能吸收涂层技术领域，尤其涉及一种彩色太阳能吸收涂层及其制备方法。

背景技术

太阳能光热利用是人类利用太阳能的一种最直接，最有效的方式。太阳能光谱选择性吸收涂层是实现光热转化的核心材料，其一般要求具有高的吸收率和低的发射率。近年来，过渡金属氮化物与氮氧化物体系在太阳能吸收涂层膜系构建中得到了广泛研究，如：WSiAlN_x/WSiAlO_yN_x/SiAlO_x，WAlN/WAlON/Al₂O₃，ZrSiN/ZrSiON/SiO₂，NbMoN/NbMoON/SiO₂，Cr/CrN_x/CrN_xO_y/SiO₂，TiAlSiN/TiAlSiON/SiO₂和CrN/AlCrNO/AlCrO。随着太阳能建筑一体化的发展，彩色太阳能吸收涂层得到广泛的关注。然而，当前利用过渡金属氮化物与氮氧化物体系构筑太阳能吸收涂层的研究更多关注的是高温性能，对其色彩的研究很少。

高熵合金是近年来金属材料领域的重大发现之一。与传统金属材料主要以一种元素为主不同（如钛合金和钢铁），高熵合金通常包含至少四种比例相近的合金元素，其独特的合金设计理念可以体现出多种元素的集体效应，往往具有新颖的结构和优异的综合性能，已经受到航空航天、船舶、核能、汽车及电子等关键领域的广泛关注。作为一种全新合金，高熵合金因其具有的高强度、高耐磨性、高耐腐蚀性和耐高温软化等优异性能已得到广泛关注。然而，将高熵合金应用于彩色太阳能吸收涂层的研究却未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种彩色太阳能吸收涂层。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供该彩色太阳能吸收涂层的制备方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种彩色太阳能吸收涂层，其特征在于：该涂层由抛光不锈钢片构成的吸热体基底、金属Al构成的红外反射层、MoNbHfZrTiN构成的主吸收层、MoNbHfZrTiNO构成的次吸收层和SiO₂构成的减反射层组成；所述主吸收层是指采用等摩尔比的金属Mo、Nb、Hf、Zr、Ti通过熔炼法制备的MoNbHfZrTi高熵合金的氮化物；所述次吸收层是指采用等摩尔比的金属Mo、Nb、Hf、Zr、Ti通过熔炼法制备的MoNbHfZrTi高熵合金的氮氧化物。

所述吸热体基底的粗糙度值为0.5~3 nm。

所述红外反射层的厚度为20~50 nm。

所述主吸收层的厚度为30~60 nm。

所述次吸收层的厚度为30~70 nm。

所述减反射层的厚度为60~100 nm。

所述MoNbHfZrTi高熵合金是指将等摩尔比的金属Mo、Nb、Hf、Zr、Ti放入石墨坩埚内，然后将其放入真空熔炼炉并抽真空至5×10^-6~8×10^-6 Torr，于2650~3000℃熔融后浇筑成型，经切割、打磨即得。

如上所述的一种彩色太阳能吸收涂层的制备方法，包括以下步骤：

⑴对吸热体基底进行处理；

⑵在处理后的所述吸热体基底上制备红外反射层：以纯度为99.99%的Al作为磁控溅射靶材，在氩气气氛中采用直流磁控溅射方法制得；其中工作参数：真空室预抽本底真空至3.0×10^-6~7.0×10^-6Torr；Al靶材的溅射功率密度为3~7 W/m^-2，溅射沉积时氩气的进气量为20~50 sccm，沉积Al厚度为20~50 nm；

⑶在所述红外反射层上制备主吸收层：以纯度为99.9%的MoNbHfZrTi高熵合金作为溅射靶材，在氩气与氮气气氛中采用射频反应磁控溅射方法制得；其中工作参数：MoNbHfZrTi靶材的溅射功率密度为2~6W/cm^-2，溅射沉积时氩气的进气量为20~50 sccm，氮气的进气量为0.5~5 sccm，沉积MoNbHfZrTiN的厚度为30~60 nm；

⑷在所述主吸收层上制备次吸收层：以纯度为99.9%的MoNbHfZrTi高熵合金作为溅射靶材，在氩气和氮气及氧气气氛中采用射频反应磁控溅射方法制得；其中工作参数：MoNbHfZrTi靶材的溅射功率密度为2~6W/cm^-2，溅射沉积时氩气的进气量为20~50sccm，氮气的进气量为5~12sccm，氧气的进气量为2~6sccm，沉积MoNbHfZrTiNO厚度为30~70nm；

⑸在所述次吸收层上制备减反射层：以纯度99.99%的SiO₂作为磁控溅射靶材，在氩气气氛中采用射频磁控溅射方法制得；其中工作参数：SiO₂靶材的溅射功率密度为5~10W/cm^-2，溅射沉积时氩气的进气量为20~50 sccm，沉积厚度为60~100 nm。

所述步骤⑴中吸热体基底的处理是指去除基底抛光不锈钢片表面附着的杂质后，分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗10~20分钟，氮气吹干保存。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明选用等摩尔比的金属Mo、Nb、Hf、Zr、Ti制成的高熵合金（MoNbHfZrTi）的氮化物和氮氧化物为基本材料，利用各种金属元素的集体效应，制备了一种彩色太阳能吸收涂层，极大拓展了高熵合金的应用领域，丰富和发展了太阳能吸收涂层膜系结构。

2、本发明所制备的彩色涂层在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率≥0.91，发射率≤0.12。

3、本发明制备工艺简单、成本较低，所制备的涂层在拥有高吸收率和低发射率的同时，具有丰富的色彩，在太阳能热利用与建筑一体化领域具有广泛的实用价值和应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明的

具体实施方式

作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构图。

图2为本发明淡蓝色太阳能吸收涂层的数码照片。

图3为本发明橘红色太阳能吸收涂层的数码照片。

图4为本发明淡黄色太阳能吸收涂层的数码照片。

图5为本发明深蓝色太阳能吸收涂层的数码照片。

具体实施方式

实施例1 如图1所示，一种彩色太阳能吸收涂层，该涂层由粗糙度值为1 nm的抛光不锈钢片构成的吸热体基底、金属Al构成的厚度为46 nm的红外反射层、MoNbHfZrTiN构成的厚度为45 nm的主吸收层、MoNbHfZrTiNO构成的厚度为36 nm的次吸收层和SiO₂构成的厚度为89 nm的减反射层组成。主吸收层是指采用等摩尔比的金属Mo、Nb、Hf、Zr、Ti通过熔炼法制备的MoNbHfZrTi高熵合金的氮化物；次吸收层是指采用等摩尔比的金属Mo、Nb、Hf、Zr、Ti通过熔炼法制备的MoNbHfZrTi高熵合金的氮氧化物。

其中：MoNbHfZrTi高熵合金是指将等摩尔比的金属Mo、Nb、Hf、Zr、Ti放入石墨坩埚内，然后将其放入真空熔炼炉并抽真空至5×10^-6~8×10^-6 Torr，于2650~3000℃熔融后浇筑成型，经切割、打磨即得。

一种彩色太阳能吸收涂层的制备方法，包括以下步骤：

⑴对吸热体基底进行处理：去除基底抛光不锈钢片表面附着的杂质后，分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗15分钟，氮气吹干保存。

⑵在处理后的吸热体基底上制备红外反射层：以纯度为99.99%的Al作为磁控溅射靶材，在氩气气氛中采用直流磁控溅射方法制得；其中工作参数：真空室预抽本底真空至5.0×10^-6Torr；Al靶材的溅射功率密度为5.48 W/m^-2，溅射沉积时氩气的进气量为40sccm，沉积Al厚度为46 nm。

⑶在红外反射层上制备主吸收层：以纯度为99.9%的MoNbHfZrTi高熵合金作为溅射靶材，在氩气与氮气气氛中采用射频反应磁控溅射方法制得；其中工作参数：MoNbHfZrTi靶材的溅射功率密度为3.96W/cm^-2，溅射沉积时氩气的进气量为40 sccm，氮气的进气量为1sccm，沉积MoNbHfZrTiN的厚度为45 nm。

⑷在主吸收层上制备次吸收层：以纯度为99.9%的MoNbHfZrTi高熵合金作为溅射靶材，在氩气和氮气及氧气气氛中采用射频反应磁控溅射方法制得；其中工作参数：MoNbHfZrTi靶材的溅射功率密度为3.96W/cm^-2，溅射沉积时氩气的进气量为40sccm，氮气的进气量为8sccm，氧气的进气量为4sccm， 沉积MoNbHfZrTiNO厚度为36nm。

⑸在次吸收层上制备减反射层：以纯度99.99%的SiO₂作为磁控溅射靶材，在氩气气氛中采用射频磁控溅射方法制得；其中工作参数：SiO₂靶材的溅射功率密度为6W/cm^-2，溅射沉积时氩气的进气量为40 sccm，沉积厚度为89 nm。

该涂层颜色为淡蓝色，数码照片如图2所示；其在大气质量因子AM1.5条件下，涂层吸收率为0.94，发射率为0.09。

实施例2 一种彩色太阳能吸收涂层，该涂层由粗糙度值为0.5 nm的抛光不锈钢片构成的吸热体基底、金属Al构成的厚度为20 nm的红外反射层、MoNbHfZrTiN构成的厚度为30 nm的主吸收层、MoNbHfZrTiNO构成的厚度为30 nm的次吸收层和SiO₂构成的厚度为60nm的减反射层组成。主吸收层是指采用等摩尔比的金属Mo、Nb、Hf、Zr、Ti通过熔炼法制备的MoNbHfZrTi高熵合金的氮化物；次吸收层是指采用等摩尔比的金属Mo、Nb、Hf、Zr、Ti通过熔炼法制备的MoNbHfZrTi高熵合金的氮氧化物。

其中：MoNbHfZrTi高熵合金同实施例1。

一种彩色太阳能吸收涂层的制备方法，包括以下步骤：

⑴对吸热体基底进行处理：去除基底抛光不锈钢片表面附着的杂质后，分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗10分钟，氮气吹干保存。

⑵在处理后的吸热体基底上制备红外反射层：以纯度为99.99%的Al作为磁控溅射靶材，在氩气气氛中采用直流磁控溅射方法制得；其中工作参数：真空室预抽本底真空至3.0×10^-6Torr；Al靶材的溅射功率密度为3 W/m^-2，溅射沉积时氩气的进气量为20 sccm，沉积Al厚度为20 nm。

⑶在红外反射层上制备主吸收层：以纯度为99.9%的MoNbHfZrTi高熵合金作为溅射靶材，在氩气与氮气气氛中采用射频反应磁控溅射方法制得；其中工作参数：MoNbHfZrTi靶材的溅射功率密度为2W/cm^-2，溅射沉积时氩气的进气量为20 sccm，氮气的进气量为0.5sccm，沉积MoNbHfZrTiN的厚度为30 nm。

⑷在主吸收层上制备次吸收层：以纯度为99.9%的MoNbHfZrTi高熵合金作为溅射靶材，在氩气和氮气及氧气气氛中采用射频反应磁控溅射方法制得；其中工作参数：MoNbHfZrTi靶材的溅射功率密度为2W/cm^-2，溅射沉积时氩气的进气量为20sccm，氮气的进气量为5sccm，氧气的进气量为2sccm， 沉积MoNbHfZrTiNO厚度为30nm。

⑸在次吸收层上制备减反射层：以纯度99.99%的SiO₂作为磁控溅射靶材，在氩气气氛中采用射频磁控溅射方法制得；其中工作参数：SiO₂靶材的溅射功率密度为5W/cm^-2，溅射沉积时氩气的进气量为20 sccm，沉积厚度为60 nm。

该涂层颜色为橘红色，数码照片如图3所示；其在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率为0.92，发射率为0.12。

实施例3 一种彩色太阳能吸收涂层，该涂层由粗糙度值为3 nm的抛光不锈钢片构成的吸热体基底、金属Al构成的厚度为50 nm的红外反射层、MoNbHfZrTiN构成的厚度为60nm的主吸收层、MoNbHfZrTiNO构成的厚度为70 nm的次吸收层和SiO₂构成的厚度为100 nm的减反射层组成。主吸收层是指采用等摩尔比的金属Mo、Nb、Hf、Zr、Ti通过熔炼法制备的MoNbHfZrTi高熵合金的氮化物；次吸收层是指采用等摩尔比的金属Mo、Nb、Hf、Zr、Ti通过熔炼法制备的MoNbHfZrTi高熵合金的氮氧化物。

其中：MoNbHfZrTi高熵合金同实施例1。

一种彩色太阳能吸收涂层的制备方法，包括以下步骤：

⑴对吸热体基底进行处理：去除基底抛光不锈钢片表面附着的杂质后，分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗20分钟，氮气吹干保存。

⑵在处理后的吸热体基底上制备红外反射层：以纯度为99.99%的Al作为磁控溅射靶材，在氩气气氛中采用直流磁控溅射方法制得；其中工作参数：真空室预抽本底真空至7.0×10^-6Torr；Al靶材的溅射功率密度为7 W/m^-2，溅射沉积时氩气的进气量为50 sccm，沉积Al厚度为50 nm。

⑶在红外反射层上制备主吸收层：以纯度为99.9%的MoNbHfZrTi高熵合金作为溅射靶材，在氩气与氮气气氛中采用射频反应磁控溅射方法制得；其中工作参数：MoNbHfZrTi靶材的溅射功率密度为6W/cm^-2，溅射沉积时氩气的进气量为50 sccm，氮气的进气量为5sccm，沉积MoNbHfZrTiN的厚度为60 nm。

⑷在主吸收层上制备次吸收层：以纯度为99.9%的MoNbHfZrTi高熵合金作为溅射靶材，在氩气和氮气及氧气气氛中采用射频反应磁控溅射方法制得；其中工作参数：MoNbHfZrTi靶材的溅射功率密度为6W/cm^-2，溅射沉积时氩气的进气量为50sccm，氮气的进气量为12sccm，氧气的进气量为6sccm， 沉积MoNbHfZrTiNO厚度为70nm。

⑸在次吸收层上制备减反射层：以纯度99.99%的SiO₂作为磁控溅射靶材，在氩气气氛中采用射频磁控溅射方法制得；其中工作参数：SiO₂靶材的溅射功率密度为10W/cm^-2，溅射沉积时氩气的进气量为50 sccm，沉积厚度为100 nm。

该涂层颜色为淡黄色，数码照片如图4所示；其在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率为0.92，发射率为0.10。

实施例4 一种彩色太阳能吸收涂层，该涂层由粗糙度值为2 nm的抛光不锈钢片构成的吸热体基底、金属Al构成的厚度为45 nm的红外反射层、MoNbHfZrTiN构成的厚度为50nm的主吸收层、MoNbHfZrTiNO构成的厚度为55 nm的次吸收层和SiO₂构成的厚度为80 nm的减反射层组成。主吸收层是指采用等摩尔比的金属Mo、Nb、Hf、Zr、Ti通过熔炼法制备的MoNbHfZrTi高熵合金的氮化物；次吸收层是指采用等摩尔比的金属Mo、Nb、Hf、Zr、Ti通过熔炼法制备的MoNbHfZrTi高熵合金的氮氧化物。

其中：MoNbHfZrTi高熵合金同实施例1。

一种彩色太阳能吸收涂层的制备方法，包括以下步骤：

⑴对吸热体基底进行处理：去除基底抛光不锈钢片表面附着的杂质后，分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗16分钟，氮气吹干保存。

⑵在处理后的吸热体基底上制备红外反射层：以纯度为99.99%的Al作为磁控溅射靶材，在氩气气氛中采用直流磁控溅射方法制得；其中工作参数：真空室预抽本底真空至4.0×10^-6Torr；Al靶材的溅射功率密度为5.5 W/m^-2，溅射沉积时氩气的进气量为35 sccm，沉积Al厚度为45 nm。

⑶在红外反射层上制备主吸收层：以纯度为99.9%的MoNbHfZrTi高熵合金作为溅射靶材，在氩气与氮气气氛中采用射频反应磁控溅射方法制得；其中工作参数：MoNbHfZrTi靶材的溅射功率密度为4.5W/cm^-2，溅射沉积时氩气的进气量为40 sccm，氮气的进气量为2.5 sccm，沉积MoNbHfZrTiN的厚度为50 nm。

⑷在主吸收层上制备次吸收层：以纯度为99.9%的MoNbHfZrTi高熵合金作为溅射靶材，在氩气和氮气及氧气气氛中采用射频反应磁控溅射方法制得；其中工作参数：MoNbHfZrTi靶材的溅射功率密度为4.6W/cm^-2，溅射沉积时氩气的进气量为40sccm，氮气的进气量为8sccm，氧气的进气量为2.5sccm，沉积MoNbHfZrTiNO厚度为55nm。

⑸在次吸收层上制备减反射层：以纯度99.99%的SiO₂作为磁控溅射靶材，在氩气气氛中采用射频磁控溅射方法制得；其中工作参数：SiO₂靶材的溅射功率密度为8W/cm^-2，溅射沉积时氩气的进气量为40 sccm，沉积厚度为80 nm。

该涂层颜色为淡蓝色，数码照片如图5所示；其在大气质量因子AM1.5条件下，吸收率为0.91，发射率为0.10。