真空鍍膜制備太陽能熱吸收涂層

　　本文介紹了選擇性太陽能熱吸收涂層的制備方法及發(fā)展?fàn)顩r，重點描述了真空鍍膜在金屬卷材上制備選擇性太陽能熱吸收涂層。該涂層用在平板太陽能集熱器上，促進(jìn)了太陽能集熱器由單一的真空玻璃管型向金屬平板型的轉(zhuǎn)變。

　　太陽能在光熱方面的利用，是人類向科學(xué)發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展邁進(jìn)的必然之路。中國的太陽能集熱利用處在真空管太陽能集熱器與平板太陽能集熱器共生共存的應(yīng)用局面，應(yīng)用領(lǐng)域正從生活用熱水向采暖、干燥、制冷、蒸汽方面發(fā)展。隨著太陽能熱利用產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，太陽能集熱器的效率越來越引起業(yè)界的重視與研究。

　　為了提高集熱器的效率，人們在不斷地探索熱吸收材料，即熱吸收涂層的制備及吸熱性能的提高。太陽能選擇性熱吸收涂層的研究與生產(chǎn)，是解決材料熱吸收效率有效而可行的方法，使涂層的光學(xué)性能在太陽光譜可見光區(qū)域和近紅外區(qū)域最大限度地吸收其能量，而又保證所吸收的能量不會快速損失。

1、新越太陽能熱吸收涂層制備的工藝流程

　　目前現(xiàn)有的涂層技術(shù)所制備的熱吸收涂層可分為四種不同的工藝方法：

　　1)其一是電鍍涂層。它是利用常規(guī)的電鍍方法，在金屬表面沉積一層黑色鉻膜或黑色鎳膜。這種涂層具有較好的吸熱性能， 吸收率α 為85%～90%，發(fā)射比ε 為15%～25%。

　　2)其二是電化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層。它是利用電化學(xué)的方法，使金屬表面通過化學(xué)反應(yīng)形成一層黑色的化合物薄膜。這種涂層也有較好的吸熱性能，吸收率α 為82%～88%， 發(fā)射比ε 為15%～32%。

　　3 )其三是噴涂、溶膠涂層。它是利用噴涂或溶膠的工藝手段，將硅膠金屬粉體混合劑，噴涂到金屬表面，形成一層薄膜。這種涂層耐候性好，但涂層性能衰減很快。其熱吸收率α 為90%～93%，發(fā)射比ε 為30%～40%。

　　上述三種涂層的制造成本相對較低，雖然熱吸收率在90%左右，但它們的熱發(fā)射比均超過15%以上。也就是說，吸收來的太陽能，大部分迅速損失，從而導(dǎo)致集熱器的熱效率不高。由于上述三種涂層性能的局限性，促使相關(guān)領(lǐng)域的科研人員不得不開發(fā)研究新的技術(shù)和工藝方法，來獲得高品質(zhì)的太陽能熱吸收涂層。至此真空鍍膜技術(shù)在太陽能熱吸收涂層上得到了成功應(yīng)用，這就是第四種熱吸收涂層的制備方法。

　　利用真空鍍膜技術(shù)而制備的太陽能熱吸收涂層，是在真空條件下，采用磁控濺射、電子束蒸發(fā)工藝，在金屬板材或金屬卷材上鍍上多層金屬氮化物、金屬氧化物、金屬氮氧化物，形成多層疊加的熱吸收膜系，這種膜系對太陽光輻射能量具有優(yōu)秀的選擇吸收功能。此真空涂層的優(yōu)點在于它不僅有優(yōu)越的熱吸收光學(xué)指標(biāo)，太陽能熱吸收率≥95%，熱輻射發(fā)射比≤5%，而且耐候性、耐鹽霧性、熱老化性均優(yōu)于其它工藝制備的熱吸收涂層。

　　福建新越科技根據(jù)中國平板太陽能集熱器市場的需求和熱吸收涂層技術(shù)的發(fā)展趨勢，引進(jìn)了德國目前世界上最先進(jìn)的金屬帶真空鍍膜生產(chǎn)線。下面就設(shè)備特性、工藝狀態(tài)及真空鍍膜涂層的相關(guān)技術(shù)問題做出介紹，供大家參考和討論。

　　該設(shè)備主要在金屬板材表面上通過真空鍍膜來獲得太陽能熱吸收板材(即業(yè)界通稱的藍(lán)膜板芯)。同步連續(xù)生產(chǎn)的金屬帶運行速度能夠達(dá)到10 m/min，超高的生產(chǎn)效率是新越連續(xù)式真空鍍膜設(shè)備最大的優(yōu)點之一。應(yīng)用真空鍍膜設(shè)備多功能一體化的卷繞型生產(chǎn)模式，從放卷設(shè)備上將成卷的鋁材導(dǎo)出，通過帶材緩存裝置進(jìn)入真空鍍膜工藝腔室前端的帶鋼閘口部分。帶鋼閘口腔室內(nèi)的密封輥使金屬帶進(jìn)入一個真空梯度逐級遞減的區(qū)間，保證帶材在進(jìn)入鍍膜工藝腔室之前達(dá)到所需的本底和工作真空度。設(shè)備配備有等離子體濺射刻蝕預(yù)處理裝置，對進(jìn)入鍍膜工藝腔室的金屬帶表面進(jìn)行處理。在提升基材溫度的基礎(chǔ)上，去除基材表面吸附的水蒸汽、其它雜質(zhì)氣體及較薄的氧化物層，同時也可以通過表面激活作用來實現(xiàn)后續(xù)涂層在金屬基材表面更好的附著性。

　　鍍膜工藝部分：利用直流磁控濺射制備選擇性太陽能熱吸收涂層的紅外高反射層；其次，使用孿生旋轉(zhuǎn)靶中頻反應(yīng)磁控濺射制備化合物主吸收層和金屬陶瓷阻擋層；最后應(yīng)用雙電子槍旋轉(zhuǎn)坩堝蒸發(fā)工藝制備SiO2 石英玻璃增透減反層。這幾種典型的真空鍍膜工藝都屬于環(huán)保的PVD 技術(shù)，沉積速率高、適用于大面積真空鍍膜工業(yè)化生產(chǎn)領(lǐng)域。

圖1 直流磁控濺射原理圖

圖2 中頻磁控濺射原理圖

　　金屬帶在經(jīng)過鍍膜后同樣會進(jìn)入一個帶鋼閘口腔室，實現(xiàn)鍍膜工藝腔體和大氣的銜接。這種大氣到大氣的連續(xù)式真空鍍膜技術(shù)使得藍(lán)膜涂層的生產(chǎn)效率更高，保證涂層具有最高的品質(zhì)和光學(xué)指標(biāo)。圖4 為新越太陽能熱吸收藍(lán)膜工藝流程圖。

圖3 雙電子槍旋轉(zhuǎn)坩堝蒸發(fā)原理圖

圖4 新越太陽能熱吸收藍(lán)膜工藝流程圖

2、新越選擇性熱吸收藍(lán)膜具備的技術(shù)性能

　　任何一種太陽能吸熱體的效率都取決于其將太陽光能量轉(zhuǎn)換成熱能的能力。對于太陽光輻射的高吸收率應(yīng)該是最基本的條件，而且相對是非常容易達(dá)到的，最具挑戰(zhàn)性的則是如何將太陽能儲存于吸熱板內(nèi)。高選擇性吸熱涂層，可以在減少反射的同時將熱能儲存在吸熱體的內(nèi)部(低發(fā)射比)。

圖5 新越選擇性太陽能熱吸收涂層膜系結(jié)構(gòu)

　　圖5 所示的新越高選擇性熱吸收涂層的顏色是由入射光線在石英玻璃內(nèi)部，經(jīng)過多重反射后形成的。根據(jù)增透減反射層石英玻璃的厚度，某些波段的光被轉(zhuǎn)化成熱能。只有一小部分波段的光被反射掉，其波長決定了整個膜系呈現(xiàn)出的顏色。由于高選擇性熱吸收涂層只反射少量的藍(lán)色光，所以涂層的顏色看上去是藍(lán)色的。涂層顏色只取決于光的顏色，并不是由材料的基本顏色決定的。

　　新越高選擇性太陽能熱吸收涂層作用的條件是太陽能輻射能量被照射在一個不同波長范圍的熱輻射表面。太陽輻射能量依次經(jīng)過增透減反層、吸收阻擋層、主吸收層和紅外高反射層而到達(dá)普鋁基材上，最終這些能量被吸收并儲存在吸熱體內(nèi)部。太陽能輻射范圍內(nèi)的高吸收率(低反射)α=95%，紅外光范圍內(nèi)的低發(fā)射比(高反射)ε=5%。這些特性，使得新越高選擇性太陽能熱吸收涂層能夠?qū)?0%以上的太陽輻射能量轉(zhuǎn)化成熱能。

3、新越藍(lán)膜與國外產(chǎn)品的對比

　　選擇性太陽能熱吸收藍(lán)膜膜系是由多層不同光學(xué)特性的薄膜構(gòu)成，也就是說其屬于一種光學(xué)膜系。因此制備光學(xué)薄膜的所有技術(shù)都可以用來制作這種藍(lán)膜膜系，例如真空沉積、電化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)氣相沉積等。但真正被廣泛采用的沉積技術(shù)主要是電化學(xué)法、真空鍍膜沉積技術(shù)中的蒸發(fā)和濺射。在新越藍(lán)膜吸熱體中，吸收表面的基體是金屬。在金屬卷材基體上利用真空鍍膜沉積技術(shù)中的蒸發(fā)和濺射將多層薄膜依次沉積在金屬基材表面形成具有一定光學(xué)特性的選擇性太陽能熱吸收涂層。

表1 新越藍(lán)膜與國外產(chǎn)品光學(xué)指標(biāo)對比

　　表1 描述的是新越與國外競爭者藍(lán)膜產(chǎn)品的光學(xué)指標(biāo)參數(shù)對比。從表中我們可以看到新越藍(lán)膜出眾的光學(xué)檢測指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到世界一流水平，鹽霧前太陽光譜吸收率達(dá)到95.22%，發(fā)射比為5.60%，都高于國外競爭者藍(lán)膜產(chǎn)品。經(jīng)過72h鹽霧試驗后，新越藍(lán)膜的吸收率僅下降1.2%，發(fā)射比僅上升1.4%，鹽霧后的光學(xué)指標(biāo)也均高于國外競爭者藍(lán)膜產(chǎn)品。新越藍(lán)膜鹽霧后表面光滑，無明顯腐蝕點、無凹坑，表面輕微變色。一些國外競爭者藍(lán)膜產(chǎn)品鹽霧后表面粗糙，有明顯腐蝕點，且有凹坑，表面出現(xiàn)嚴(yán)重變色現(xiàn)象。

　　圖6 所示為新越藍(lán)膜“Fever 95”與國外產(chǎn)品的光譜對比圖�；�于新越高品質(zhì)選擇性太陽能熱吸收藍(lán)膜對太陽輻射出色的吸收能力，使得新越的產(chǎn)品能夠被很好地應(yīng)用到平板型太陽能集熱器的制造領(lǐng)域，有效服務(wù)于國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需求。

圖6 新越藍(lán)膜“Fever 95”與國外產(chǎn)品光譜對比

4、結(jié)論

　　(1)本文介紹了選擇性太陽能熱吸收涂層的制備方法及發(fā)展現(xiàn)狀。重點描述了福建新越科技應(yīng)用世界最先進(jìn)的連續(xù)式真空鍍膜設(shè)備和技術(shù)，在普通鋁基帶材和板材上制備高品質(zhì)選擇性太陽能熱吸收涂層，促進(jìn)了太陽能集熱器由單一的真空玻璃管型向金屬平板型的轉(zhuǎn)變。同時，擴(kuò)大了國內(nèi)太陽能光熱利用的產(chǎn)品市場，提高了國內(nèi)太陽能光熱成膜技術(shù)的水平。

　　(2)新越選擇性太陽能熱吸收涂層工藝流程的特點是：利用直流和中頻磁控濺射工藝制備紅外高反射層、主吸收層和金屬陶瓷阻擋層，雙電子槍旋轉(zhuǎn)坩堝蒸發(fā)工藝制備SiO2 石英玻璃增透減反層，這些涂層疊加在一起構(gòu)成了對太陽光輻射能量具有選擇吸收功能的膜系。卷對卷、大氣對大氣連續(xù)不間斷的工藝運行模式，大大提高了工業(yè)化生產(chǎn)效率。制備的涂層沉積率高、均勻性好。

　　(3)新越生產(chǎn)的鋁基藍(lán)膜產(chǎn)品，太陽能輻射范圍內(nèi)的吸收率(低反射)α=95%，紅外光范圍內(nèi)的發(fā)射比(高反射)ε=5%，大部分能量可以被吸收并儲存在吸熱體內(nèi)部。涂層致密度高，表面缺陷少，耐候性、耐鹽霧性、熱老化性均優(yōu)于其它工藝制備的熱吸收涂層。

　　(4)從新越藍(lán)膜與國外產(chǎn)品的對比中，我們可以看到新越藍(lán)膜的光學(xué)指標(biāo)和熱吸收效率均高于其它國外產(chǎn)品，熱性能變化幅度較小。新越太陽能熱吸收涂層制備技術(shù)的先進(jìn)性與穩(wěn)定性，打破了西方發(fā)達(dá)國家對中國市場的封鎖與壟斷，破除了電鍍及其它成膜技術(shù)對環(huán)境的污染，具有清潔、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)實意義。