真空镀膜制备太阳能热吸收涂层

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)福建新越金属材料科技有限公司 作者:眭凌杰

  本文介绍了选择性太阳能热吸收涂层的制备方法及发展状况,重点描述了真空镀膜在金属卷材上制备选择性太阳能热吸收涂层。该涂层用在平板太阳能集热器上,促进了太阳能集热器由单一的真空玻璃管型向金属平板型的转变。

  太阳能在光热方面的利用,是人类向科学发展、可持续发展迈进的必然之路。中国的太阳能集热利用处在真空管太阳能集热器与平板太阳能集热器共生共存的应用局面,应用领域正从生活用热水向采暖、干燥、制冷、蒸汽方面发展。随着太阳能热利用产业的不断发展,太阳能集热器的效率越来越引起业界的重视与研究。

  为了提高集热器的效率,人们在不断地探索热吸收材料,即热吸收涂层的制备及吸热性能的提高。太阳能选择性热吸收涂层的研究与生产,是解决材料热吸收效率有效而可行的方法,使涂层的光学性能在太阳光谱可见光区域和近红外区域最大限度地吸收其能量,而又保证所吸收的能量不会快速损失。

1、新越太阳能热吸收涂层制备的工艺流程

  目前现有的涂层技术所制备的热吸收涂层可分为四种不同的工艺方法:

  1)其一是电镀涂层。它是利用常规的电镀方法,在金属表面沉积一层黑色铬膜或黑色镍膜。这种涂层具有较好的吸热性能, 吸收率α 为85%~90%,发射比ε 为15%~25%。

  2)其二是电化学转化涂层。它是利用电化学的方法,使金属表面通过化学反应形成一层黑色的化合物薄膜。这种涂层也有较好的吸热性能,吸收率α 为82%~88%, 发射比ε 为15%~32%。

  3 )其三是喷涂、溶胶涂层。它是利用喷涂或溶胶的工艺手段,将硅胶金属粉体混合剂,喷涂到金属表面,形成一层薄膜。这种涂层耐候性好,但涂层性能衰减很快。其热吸收率α 为90%~93%,发射比ε 为30%~40%。

  上述三种涂层的制造成本相对较低,虽然热吸收率在90%左右,但它们的热发射比均超过15%以上。也就是说,吸收来的太阳能,大部分迅速损失,从而导致集热器的热效率不高。由于上述三种涂层性能的局限性,促使相关领域的科研人员不得不开发研究新的技术和工艺方法,来获得高品质的太阳能热吸收涂层。至此真空镀膜技术在太阳能热吸收涂层上得到了成功应用,这就是第四种热吸收涂层的制备方法。

  利用真空镀膜技术而制备的太阳能热吸收涂层,是在真空条件下,采用磁控溅射、电子束蒸发工艺,在金属板材或金属卷材上镀上多层金属氮化物、金属氧化物、金属氮氧化物,形成多层叠加的热吸收膜系,这种膜系对太阳光辐射能量具有优秀的选择吸收功能。此真空涂层的优点在于它不仅有优越的热吸收光学指标,太阳能热吸收率≥95%,热辐射发射比≤5%,而且耐候性、耐盐雾性、热老化性均优于其它工艺制备的热吸收涂层。

  福建新越科技根据中国平板太阳能集热器市场的需求和热吸收涂层技术的发展趋势,引进了德国目前世界上最先进的金属带真空镀膜生产线。下面就设备特性、工艺状态及真空镀膜涂层的相关技术问题做出介绍,供大家参考和讨论。

  该设备主要在金属板材表面上通过真空镀膜来获得太阳能热吸收板材(即业界通称的蓝膜板芯)。同步连续生产的金属带运行速度能够达到10 m/min,超高的生产效率是新越连续式真空镀膜设备最大的优点之一。应用真空镀膜设备多功能一体化的卷绕型生产模式,从放卷设备上将成卷的铝材导出,通过带材缓存装置进入真空镀膜工艺腔室前端的带钢闸口部分。带钢闸口腔室内的密封辊使金属带进入一个真空梯度逐级递减的区间,保证带材在进入镀膜工艺腔室之前达到所需的本底和工作真空度。设备配备有等离子体溅射刻蚀预处理装置,对进入镀膜工艺腔室的金属带表面进行处理。在提升基材温度的基础上,去除基材表面吸附的水蒸汽、其它杂质气体及较薄的氧化物层,同时也可以通过表面激活作用来实现后续涂层在金属基材表面更好的附着性。

  镀膜工艺部分:利用直流磁控溅射制备选择性太阳能热吸收涂层的红外高反射层;其次,使用孪生旋转靶中频反应磁控溅射制备化合物主吸收层和金属陶瓷阻挡层;最后应用双电子枪旋转坩埚蒸发工艺制备SiO2 石英玻璃增透减反层。这几种典型的真空镀膜工艺都属于环保的PVD 技术,沉积速率高、适用于大面积真空镀膜工业化生产领域。

真空镀膜制备太阳能热吸收涂层

图1 直流磁控溅射原理图

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图2 中频磁控溅射原理图

  金属带在经过镀膜后同样会进入一个带钢闸口腔室,实现镀膜工艺腔体和大气的衔接。这种大气到大气的连续式真空镀膜技术使得蓝膜涂层的生产效率更高,保证涂层具有最高的品质和光学指标。图4 为新越太阳能热吸收蓝膜工艺流程图。

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图3 双电子枪旋转坩埚蒸发原理图

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图4 新越太阳能热吸收蓝膜工艺流程图

2、新越选择性热吸收蓝膜具备的技术性能

  任何一种太阳能吸热体的效率都取决于其将太阳光能量转换成热能的能力。对于太阳光辐射的高吸收率应该是最基本的条件,而且相对是非常容易达到的,最具挑战性的则是如何将太阳能储存于吸热板内。高选择性吸热涂层,可以在减少反射的同时将热能储存在吸热体的内部(低发射比)。

真空镀膜制备太阳能热吸收涂层

图5 新越选择性太阳能热吸收涂层膜系结构

  图5 所示的新越高选择性热吸收涂层的颜色是由入射光线在石英玻璃内部,经过多重反射后形成的。根据增透减反射层石英玻璃的厚度,某些波段的光被转化成热能。只有一小部分波段的光被反射掉,其波长决定了整个膜系呈现出的颜色。由于高选择性热吸收涂层只反射少量的蓝色光,所以涂层的颜色看上去是蓝色的。涂层颜色只取决于光的颜色,并不是由材料的基本颜色决定的。

  新越高选择性太阳能热吸收涂层作用的条件是太阳能辐射能量被照射在一个不同波长范围的热辐射表面。太阳辐射能量依次经过增透减反层、吸收阻挡层、主吸收层和红外高反射层而到达普铝基材上,最终这些能量被吸收并储存在吸热体内部。太阳能辐射范围内的高吸收率(低反射)α=95%,红外光范围内的低发射比(高反射)ε=5%。这些特性,使得新越高选择性太阳能热吸收涂层能够将90%以上的太阳辐射能量转化成热能。

3、新越蓝膜与国外产品的对比

  选择性太阳能热吸收蓝膜膜系是由多层不同光学特性的薄膜构成,也就是说其属于一种光学膜系。因此制备光学薄膜的所有技术都可以用来制作这种蓝膜膜系,例如真空沉积、电化学反应、化学气相沉积等。但真正被广泛采用的沉积技术主要是电化学法、真空镀膜沉积技术中的蒸发和溅射。在新越蓝膜吸热体中,吸收表面的基体是金属。在金属卷材基体上利用真空镀膜沉积技术中的蒸发和溅射将多层薄膜依次沉积在金属基材表面形成具有一定光学特性的选择性太阳能热吸收涂层。

表1 新越蓝膜与国外产品光学指标对比

真空镀膜制备太阳能热吸收涂层

  表1 描述的是新越与国外竞争者蓝膜产品的光学指标参数对比。从表中我们可以看到新越蓝膜出众的光学检测指标已经达到世界一流水平,盐雾前太阳光谱吸收率达到95.22%,发射比为5.60%,都高于国外竞争者蓝膜产品。经过72h盐雾试验后,新越蓝膜的吸收率仅下降1.2%,发射比仅上升1.4%,盐雾后的光学指标也均高于国外竞争者蓝膜产品。新越蓝膜盐雾后表面光滑,无明显腐蚀点、无凹坑,表面轻微变色。一些国外竞争者蓝膜产品盐雾后表面粗糙,有明显腐蚀点,且有凹坑,表面出现严重变色现象。

  图6 所示为新越蓝膜“Fever 95”与国外产品的光谱对比图。基于新越高品质选择性太阳能热吸收蓝膜对太阳辐射出色的吸收能力,使得新越的产品能够被很好地应用到平板型太阳能集热器的制造领域,有效服务于国家可持续发展的战略需求。

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图6 新越蓝膜“Fever 95”与国外产品光谱对比

4、结论

  (1)本文介绍了选择性太阳能热吸收涂层的制备方法及发展现状。重点描述了福建新越科技应用世界最先进的连续式真空镀膜设备和技术,在普通铝基带材和板材上制备高品质选择性太阳能热吸收涂层,促进了太阳能集热器由单一的真空玻璃管型向金属平板型的转变。同时,扩大了国内太阳能光热利用的产品市场,提高了国内太阳能光热成膜技术的水平。

  (2)新越选择性太阳能热吸收涂层工艺流程的特点是:利用直流和中频磁控溅射工艺制备红外高反射层、主吸收层和金属陶瓷阻挡层,双电子枪旋转坩埚蒸发工艺制备SiO2 石英玻璃增透减反层,这些涂层叠加在一起构成了对太阳光辐射能量具有选择吸收功能的膜系。卷对卷、大气对大气连续不间断的工艺运行模式,大大提高了工业化生产效率。制备的涂层沉积率高、均匀性好。

  (3)新越生产的铝基蓝膜产品,太阳能辐射范围内的吸收率(低反射)α=95%,红外光范围内的发射比(高反射)ε=5%,大部分能量可以被吸收并储存在吸热体内部。涂层致密度高,表面缺陷少,耐候性、耐盐雾性、热老化性均优于其它工艺制备的热吸收涂层。

  (4)从新越蓝膜与国外产品的对比中,我们可以看到新越蓝膜的光学指标和热吸收效率均高于其它国外产品,热性能变化幅度较小。新越太阳能热吸收涂层制备技术的先进性与稳定性,打破了西方发达国家对中国市场的封锁与垄断,破除了电镀及其它成膜技术对环境的污染,具有清洁、环保、可持续发展的现实意义。

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