高熵合金(MoNbHfZrTi)基高温太阳能吸收涂层的可控制备及性能研究

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基于高熵合金基涂层优异的性能,如高的强度、高的硬度、在高温下良好的热稳定性、优异的抗腐蚀性,本文率先在国际上开展了高熵合金基太阳能吸收涂层的可控制备及其构效关系研究。在氮气和氧气的氛围下,通过磁控溅射的方法,利用高熵合金(MoNbHfZrTi)靶材,在不锈钢基底上沉积高熵合金基涂层,得到了MoNbHfZrTiN和MoNbHfZrTiON薄膜,使其具有良好的光谱选择性的同时具有高熵合金优异的高温热稳定性和抗腐蚀能力。首次将高熵合金引入到高温太阳能吸收涂层,并且成功制备出性能良好的高温太阳能吸收涂层,丰富了太阳能吸收涂层的种类并拓展了高熵合金的应用领域。本文从光学模拟、可控制备和构效关系三个方面着手,成功制备了性能优异的高温太阳能吸收涂层,主要的研究工作如下:1.为了制备出最佳的红外反射层,本文首先研究了铝薄膜的吸收率和发射率,采用直流磁控溅射的方法,用不同沉积参数制备了单层铝薄膜。在低Ar流量、高溅射功率的条件下沉积的Al涂层具有较低的发射率(ε<0.1)。另一方面,当Ar流量增加至50 sccm时,涂层具有较高的吸收率(α>0.75)。为了进一步研究铝膜光谱选择性机理,我们研究了在不同沉积参数下制备的铝薄膜的光学常数。金属强度高的薄膜具有较高的消光系数和较低的热发射率。用扫描电子显微镜(SEM)对不同厚度薄膜的表面形貌进行了表征,结果表明,薄膜的表面粗糙度随薄膜厚度的增加而增加。基于已经计算的光学常数,利用CODE光学软件设计并优化SS/Al/AlN选择性吸收涂层,实验测得的谱图与软件拟合的基本一致。2.采用反应射频磁控溅射技术制备了由MoNbHfZrTiN和MoNbHfZrTiON组成的高熵合金薄膜,该薄膜具有良好的太阳光谱选择性,可用于太阳能吸收涂层。通过改变Ar/N2/O2的流量,可以控制涂层中各层的金属含量,从而可以制备出具有高金属含量的MoNbHfZrTiN层和低金属含量的MoNbHfZrTiON层。通过调整沉积参数,在不锈钢基底上成功地制备了Al/MoNbHfZrTiN/MoNbHfZrTiON/SiO2吸收涂层,其具有高吸收率(0.935)和低发射率(0.09),在这个过程中吸收截止限向长波长方向移动。随后研究了涂层的颜色和光学性能,并将对应涂层的颜色坐标绘制在色度图中。只需要通过控制MoNbHfZrTiON和SiO2层的厚度,就可以制备出Al/MoNbHfZrTiN/MoNbHfZrTiON/SiO2基彩色高温太阳能吸收涂层。3.进一步研究了Al/MoNbHfZrTiN/MoNbHfZrTiON/SiO2多层彩色太阳选择性吸收涂层的结构、光学性能、热稳定性和腐蚀性能。TEM和XRD结果表明,Al层具有纳米晶性质,MoNbHfZrTiN、MoNbHfZrTiON和SiO2为非晶态结构。TEM面扫确定了每一层的厚度以及图层中的元素分布。用光学软件计算出了涂层的光学常数(n和k值),结果表明n和k值从涂层的基底到表面逐渐降低。通过中性盐雾试验测试了涂层的耐腐蚀性能,实验表明涂层在3.5 wt%NaCl溶液中放置24h仍保持良好的光学性能。
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