范文一：选择性吸收涂层

根据吸收太阳光的原理和涂层的构造不同 , 可将选择性吸收涂层分为四类。

(1) 半导体涂层

半导体涂层是利用半导体物质的电子结构中适当能隙 Eg , 吸收能量大于 Eg 的太阳辐射光子 , 从而使材料的价电子产生跃迁进入导带 , 而对能量小于 Eg 的光子透过。所以要求半导体物质能隙最好为 0 . 62ev (1ev =1 . 602 × 10 -19 J) , 即 9 . 939 × 10 -20 J 。它吸收可见光而不吸收红外线 , Si 、 Ge 是最常见的半导体材料。过渡金属的氧化物、硫化物都属化合物半导体 , 如黑铬 (Cr x O y ) 、黑镍 (NiS-ZnS) 、氧化铜黑(Cu x O y ) 和氧化铁 ( Fe 3 O 4 ) 等。

(2) 光干涉涂层

光干涉涂层利用了光的干涉原理 , 是由非吸收的介质膜与吸收复合膜、金属底材或底层薄膜组成 , 并严格控制每层膜的折射率和厚度 , 使其对可见光谱区产生破坏性的干涉效应 , 降低对太阳光波长中心部分的反射率 , 在可见光谱区产生一个宽阔的吸收峰 , 如 Al 2 O 3 -Mo x -Al 2 O 3 (AMA) 三层膜 , AlN -Al/ Al 八层

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膜 , OCL I 多层膜等。

(3) 米氏散射涂层

米氏散射涂层是根据有效的媒质理论 , 利用在母体中细分散的金属粒子 , 对可见光的不同波长级光子产生多次散射和内反射而将其吸收。金属粒子和氧化物的共析涂层 , 如 Co -Al 2 O 3 涂层、 Al -Al 2 O 3 涂层、 Au -Al 2 O 3 涂层和黑镍等属于此类。

(4) 多孔涂层

多孔涂层是通过控制涂层表面的形貌和结构 , 使表面不连续性的尺寸与可见光谱峰值相当 , 从而对可见光起陷阱作用 , 对长波辐射具有很好反射作用 , 即在短波侧以黑洞的形式集光 , 而在长波侧以平面的形式辐射光。如通过化学腐蚀在铜表面形成具有林曼状结构的 Cu -CuO 涂层 , 钨的化学蒸镀涂层及粗糙表面上的黑铬镀层等都利用这一性质。

3 . 2 按制备工艺不同分类

根据制备工艺不同 , 又可将选择性吸收涂层分为四类。

(1) 电镀涂层

常用的电镀涂层主要有黑镍涂层、黑铬涂层、黑钴涂层等 , 均具有良好的光学性能。以黑铬和黑镍的效果最好 , 吸收发射比 ( α / ε ) 接近 6 ～ 13 。但电镀黑铬生产成本高 , 同时镀液中的 Cr 6 + 对环境有污染。电镀黑镍耗能少、成本低 , 镀液中不存在有毒物质。但黑镍涂层薄、热稳定性、耐蚀性较差 , 通常只适用于低温太阳能热利用。 Saher Shawk 等研究的黑镍镀层吸收率能达到 0 . 93 , 耐久性、热稳定性、抗腐蚀能力较强 [ 2 ] 。费敬银 [ 3 ] 等研制的黑色镍 — 锡合金镀层 , 由于其中不含硫 , 所以能克服黑镍镀层所具有的缺点 , 其镀液的配制比较复杂。

(2) 电化学转化涂层

常用的电化学涂层有铝阳极氧化涂层 , CuO 转化涂层和钢的阳极氧化涂层等。其中铝阳极氧化涂层光谱选择性、耐腐蚀、耐光照性能良好 , 在太阳能热水器

上得到了广泛应用。 CuO 转化镀涂层有一层黑色绒面 , 保护不好容易导致性能下降 , 钢的阳极氧化涂层抗紫外线和抗潮湿性能好 , 这类涂层一般吸收率为 0 . 88 ～0 . 95 , 发射率为 0 . 15 ～ 0 . 32 。 Jahan , F 等研究的 Mo 黑化学转化涂层 , 吸收率最大能达到 0 . 87 , 发射率为 0 . 13 ～ 0 . 17 [ 4 ] 。

(3) 真空镀膜涂层

利用真空蒸发和磁控溅射技术制取 , 如利用直接蒸发制取的 PbS/ Al/ Al 涂层。利用磁控溅射制取的有不锈钢— 碳 / 铜涂层、 AlCN 涂层、 AlN x O y 涂层和 Ni -Cr 涂层等。应用比较多的是多层渐变铝氮铝 (Al -N/Al) 涂层 , 该涂层具有良好的光谱选择性 , 但当温度升高时 , 发射率也随之急剧上升 , 只能在 250 ℃ 以下使

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用。

还有采用射频溅射制备的金属陶瓷复合涂层 , 主要应用在中高温领域 , 它是近年来新开发的工艺 , 如Ni -Al 2 O 3 涂层。 Wu -AlN x 选择性涂层 , 是将钨、铬等金属粒子掺入氮化铝介质 , 得到金属陶瓷复合涂层。基片采用铜、铝等反射率高的金属 , 集热温度可达 350 ℃ 以上。

Farooq , M. O 等采用 Ni ∶ SiO 2 金属陶瓷作吸收层 , Ni 在涂层表面的体积比为 10 % , 到底部逐渐变化为90 % , 涂层厚度为 (100 ～ 170) nm , 吸收率为 0 . 96 , 发射率为 0 . 03 ～ 0 . 14 [ 5 ] 。 Zhang Qi -chu 等采用掺钼的三氧化二铝 (Mo -Al 2 O 3 ) 金属陶瓷作为选择性吸收涂层材料 , Al 2 O 3 作减反射 层 , 双层Mo -Al 2 O 3 金属陶瓷层作吸收层 , Mo 或 Cu 作减反射层 , 该涂层在 350 ℃ 下性能稳定 , 吸 收率为0 . 96 , 发射率为 0 . 11 [ 6 ] 。

(4) 涂料涂层

是一种发展比较早的涂层 , 制备方法一般采用 压缩空气喷涂法。如 Fe 2 O 3 -Cr 2 O 3 涂层 [ 7 ] , 以Fe 2 O 3 、 Cr 2 O 3 和 MnO 2 为颜料 , 有机硅改性丙烯 酸树脂为粘结剂 , 涂层的吸收发射比可达 3 . 26 ; PbS 涂层 , 以 0 . 1 μ m 林蔓状晶体 PbS 为颜料 , 乙 丙橡胶或氟树脂为粘结剂 , 吸收率为 0 . 85 ～ 0 . 91 , 发射率为 0 . 23 ～ 0 . 40 , 制备简单 , 但林蔓状结构 易氧化失去转换性 , 防锈性能差 [ 8 ] ; 硅溶胶吸热 涂层 [ 9 ] , 以硅溶胶作粘结剂 , Fe 粉作发色体 , 涂 层成本低、耐候性和防水性好 , 吸收率为 0 . 94 , 发射率为 0 . 41 , 但因为含有机物 , 使用寿命短。

还有酞菁绿涂层 , 颜料成分为 Fe 3 CuO 5 , 装饰性 好 , 适合在太阳房和平板式热水器上应用。吴桂 初[ 10 ] 采用粉末火焰喷涂法制备的黑铬太阳能选择 性吸收涂层 , 工艺简单、成本低、性能稳定、光谱 选择性好 , 其吸收率为 0 . 91 , 发射率为 0 . 15 。

范文二：光谱选择性吸收涂层

光谱选择性吸收涂层

谢 光 明

要了解光谱选择性吸收涂层在太阳能利用中的作用，首先要从太阳辐射谈起。众所周知，太阳是离我们最近的一颗恒星，它是一个炙热的气态球体。太阳内部不断地进行热核反应，中心温度高达4000万度，并以辐射的形式向宇宙空间发射巨大的能量，每秒钟向外发射的能量，相当于每秒钟燃烧1.32亿亿吨标准煤放出的能量。其中22亿分之一左右的能量到达地球大气上层，每秒钟约有1.765×10焦耳，折合标准煤约600万吨。

如此说来，既然太阳能量如此之大，地球上怎么还会出现能源危机呢？人类只要无偿地坐享太阳的恩赐不就万事大吉了吗？问题却并非如此简单。我们知道，虽然太阳辐射能量十分巨大，可到达地面的能量密度并不很高（平均每平方米1000瓦左右），而且是不连续的，这就给我们有效地利用太阳能带来了许多困难。因此要广泛地利用太阳能不仅要解决技术上的种种问题，而且在经济上必须能同常规能源相竞争。利用太阳能的途径虽然很多，但从技术与经济的观点来看，最简单也最切合实际的途径就是把太阳能转换成热能来加以利用，这就是我们所说的太阳能热利用。

在太阳能热利用装置中，首先要将太阳辐射能转换成热能，实现这种转换的器件称为太阳集热器。无论哪种形式和结构的集热器，都要有一个用来吸收太阳辐射的吸收部件，该部件吸收表面的热辐射性能对集热器的热性能起着重要的作用。表征吸收表面热辐射性能的物理量是吸收比和热发射比，前者表征吸收太阳辐射能的能力，后者表征自身温度下发射辐射能的能力。为了提高太阳集热器的热效率，我们要求吸收部件表面在波长0.3～2.5μm 太阳光谱范围内具有较高的吸收比（α），同时在波长为2.5～5.0μm 红外光谱范围内保持尽可能低的热发射比（ε）。换句话说，就是要使吸收表面在最大限度地吸收太阳辐射的同时，尽可能减小其辐射热损。获得这种吸收效果的表面的涂层称为选择性吸收涂层。显而易见，该涂层两个重要的性能参数α、ε对提高集热器的热效率起着至关重要的作用。因此，研究和应用光谱选择性吸收涂层是太阳能热利用中的重要课题。

50年代末，以色列科学家Tabor 提出了光谱选择性吸收理论。几十年来选择性吸收涂层一直是太阳能热利用技术领域中一项十分活跃的研究课题。1980年北京市太阳能研究所赵玉文在《太阳能学报》上发表的“选择性吸收表面与集热器效率的研究”一文，在Tabor 分析的基础上提出了等效表面概念及判断不同性能选择性吸收表面的相对优劣方法，阐述了选择性吸收表面与集热器效率的关系，引起了太阳能界的高度重视。

多年来北京市太阳能研究所一直致力于研究开发性能好、寿命长、工艺简单、成本低廉的选择性吸收涂层材料，并取得了丰硕成果。其中包括金属氧化物、硫化物、碳化物、氮化物以及近几年来出现的金属陶瓷等诸多复合材料。制备工艺由简单的涂复、金属氧化处理、化学转换、电化学沉积发展到真空蒸镀、磁控溅射等近代薄膜物理方法。膜系结构也有很大发展，从最基本的干涉滤波型、体吸收型发展到多层渐变型与目前的干涉吸收型，对涂层的机理认识也越来越深入。但无论如何变化，所有选择性吸收涂层的构造都是由两个基本部分组成的：红外反射底层（铜、铝、钼等高红外反射比金属）和太阳光谱吸收层（金属化合物或金属介质复合材料）。吸收层物质自身或通过光的干涉效应在太阳入射辐射峰值波长（0.5μm ）附近产生强烈的吸收作用，而在红外波段则自由透过，并借助于底层的高红外反射特性构成选择性吸收涂层。

北京市太阳能研究所建所以来在选择性吸收涂层方面取得的成果列举如下：

1979～1980年，研制出硫化铅／沥青漆涂层（赵玉文、庄秀智等），采用喷涂工艺制备出α＝0.93、ε＝0.33～0.50的选择性吸收涂层。该涂层工艺简单，成本低廉，应用在平板集热器上明显地提高了集热效率，成为我国太阳集热器最早使用的选择性吸收涂层材料。在此研究基础上，1981～1983年又研制了TXT 铁、锰、铜氧化物系列选择性吸收涂料（庄秀智、梅胜放等）。17

该涂料的选择性进一步提高，寿命明显增长，成为我国80年代平板集热器主要使用的涂层材料。 1979～1980年，采用电化学方法研制了选择性吸收黑铬涂层（陆龙波、黄涵芬、赵玉文等）。该涂层不仅具有优良的光谱选择性（α＝0．93～0．97、ε＝0．07～0．14），而且还具有良好的耐湿耐温性。当年援藏的太阳能烤馕箱就采用该涂层，集热温度有了很大的提高。在1981～1983年间还研制了铝阳极化电解着色选择性吸收涂层（黄涵芬、赵玉文、张宝英等），α＝0．92～0．96，ε＝0．10～0．20。由于铝制集热器是当时最普遍采用的太阳集热器，所以铝阳极化电解着色选择性吸收涂层对这种集热器具有特殊的意义。此外，它还具有生产过程能耗低、污染小、成本低等优点。为了满足太阳集热器铜铝复合条带的生产要求，在国内首次成功地研究并建成连续式阳极化电解着色选择性吸收涂层生产线，实现了涂层大批量规模化生产。该项技术曾获1993年北京市科技进步二等奖（黄涵芬、韩建功、李小苏等）。

随着太阳集热器技术的不断进步，选择性吸收涂层的研究工作也在不断发展。1986～1988年研制成黑钴选择性吸收涂层（赵玉文、谢光明等）。该涂层具有良好的光谱选择性（α＝0．92～0．96，ε＝0．06～0．08），适合应用在工作温度较高的真空集热管上。采用该涂层生产的ф65mm 热管式真空集热管其性能已达到荷兰菲利浦公司同类产品的水平。为满足大直径（ф100mm ）热管式真空管的规模化生产要求，在1988～1990年间又研制了铝氮氧渐变型选择性吸收涂层（郭信章、尹万里、于凤琴等），采用磁控溅射的方法在金属吸热体上沉积涂层，并研制了超大型磁控溅射生产设备，用于生产各种金属吸热体的真空管集热器。与上述各种涂层技术相比，磁控溅射工艺更易控制，而且可以在较大面积上获得均匀一致的涂层。该项目获得了1993年北京市科技进步二等奖。

回顾北京市太阳能研究所在选择性吸收涂层研究方面所做的工作和取得的科研成果，目的是为了总结经验，开拓创新，力争在21世纪取得更大的成绩。

范文三：太阳能选择性吸收涂层

止 ,, , , ，,, , ,, , ， ,( , , , , ， ， , , , 二, , , , , ，上， 太 阳 麓 选 择 性 吸 收 涂 层 胡万里，李 长友 华 , , , ( 南农 业 大学 工 程学 院 ，广东 广州 , , , ) 摘 介绍 了涂 层 的制 备 方法 和 分类 ， 析 了太 阳能选 择 性 要 :综 述 了 国内 外选 择 性 涂层 的 研究 进 展 与现 状 ， 分 对 吸 收涂层 的工作 机理 ， 太 阳能选 择性 吸 收涂 层 的发展 趋势 做 了展望 。 关键 词 :太 阳能;选择性 吸收;涂 层 , ,, , , , , (, , , , , , , 中图分 类号 :, , ( 文 献标 识码 :, 文 章编 号 :, , — , , , , ), , , , , , , , , , , , ,, ,, ,, , , , ; , , , ,, , , , , , , ,; , , , , , , , ,, , , ,， ， ,, , — , ,, , , , , , , , , , , ,, ,,,, ，,, ,, , , ,,,, , , ; , , , ,, , ,,,，, ,, ( ,,, ,, ,,,,,, ,, , , ,,,,, ,,,,，,,, ,, ,,, ,, ) 一 不透 明材 料存在 ,种 不 同类型 的 般 来讲 ， 射层 。 日本科学 家提 出了在 铝的 阳极氧化 膜上覆 选 择性表 面 : 第一 是 以涂 黑漆 的吸热 板 为代 表 的 , , , , 采用在玻璃衬底 上沉积 有机树 脂 的涂层 。 , ,,黑体 表 面 ，它对 太 阳光 的吸 收率 和发 射 率相 等 ; ,, 电镀 黑 黑钴 的涂 层 。, , 提 出在钴 表面 涂黑镍 、第 二是选 择性 吸热涂 层 ， 有高 的太 阳能 吸收 率 它 , , ,, , 采用溶 镍等 的涂层 。, , , 发明一种含 碳母 体 ，和红外 发 射 率 ; 三 是选 择 性放 热 涂 层 ， 能有 第 它 胶一凝 胶法从可水解 、可缩 聚的化合物 中制取 涂 效地 吸 收太 阳能 ， 而受 热后 自身 长波 造成 的热 损 层材料 。 失很小 。 , ,年代 末 ，我 国的太 阳能利用逐 渐 ,世纪 , 太 阳 能选 择 性 涂层 的吸 收 光谱 与太 阳 发射 清华 大学 、 国 开展起来 。北京市 太阳能研 究所 、 中 它能 极大地 提 高太 阳能 集热器 的集 光谱 相 匹配 ， 科学 院上海硅 酸所 、辽宁省 能源研究所 等单位和 热效率 和利 用效率，其独特 的性能越 来越 引起世 一 些 太 阳能企业 开始 研究 开 发选 择性 吸收涂 层 ，界各 国科 学家 和学者 的关 注 与研究 。近 年来 ， 各 硫化铅, 黑铬涂 层 、 沥青 漆涂层 、 铝氮氧 黑钴涂 层 、国科学 家为此 进行 了不 断地探索 ，运用不 同的工 渐变 型选 择性 吸收涂层先后研 制出来 。艺和方法 研制 出各种结 构的涂层 系统 。 以后 ，清华大学 研制 出在氩 气 中采 用溅 射工 , 选 择 性 涂 层 的 研 究 进 展 与 现 状 铝一 氮一 氧涂层 的工 艺 ; 艺制备 铝一氮 、 上海硅酸 , 纪, ,世 ,年代前 ，太 阳能集热 器一 直使用 盐研究 所提 出以金 属 、玻璃及有 机材料 为衬底 的 没有 选择性 的黑 板漆 和无 光黑 漆作 为 吸收涂 层 。 黑铝涂 层 ;张 云山提 出了由吸热材料 和粘 结剂组 ,, 在第 一次世 界太 阳能 大会 上 以色列 专家 , ,年 ， 李守祥研 制 了采 用氧 、 成 的涂 料型涂层 ; 氮共同参 泰 勒 和美 国专 家 吉 尔顿 柯 尔 论 证 了 制作 高吸 收 与 的 铝 阴 极 反 应 的涂 层 ;李 先航 提 出 了 金 属 陶 瓷 率 和低 发 射率选 择性涂 层 表面 的可 能性 ， 分别 并 型涂层 ;沈 阳台阳太 阳能公 司研制并应 用 了表层 选择 性 吸 提 出黑镍 和黑铬 ,种表 面涂

层 。此 后 ， 吸收层 为铝一 碳膜 的涂层 ; 岛建 工 为铝一 氮膜 ， 青 澳收涂层 研究 才 开始在世 界 各 国发 展起 来 ， 大利 粘结剂 、 学 院发 明 了一种 由吸光剂 、 溶剂 和助剂组 以 德亚 、 色列 、 国 、 埃 日本 、 及 等 国不惜 投 入 巨资 成 的涂 层 。 一进行研 究 ， 系列 的涂层 系统 被 开发 出来 。澳 大 , 选择性 吸收涂层理 论分析 利亚悉 尼大 学研 究出 ,层结 构 的涂层 ， 里层 是亮 传统 观点认 为 ，黑色表 面 比其他颜 色表面 的 金属 反 射 层 ， 中间 是太 阳能 吸 收层 ， 层 是减 反 外 吸光能 力强 ，所 以太 阳能热水器 的集热板 一般 都 ,, ,— ,收稿 日期 :, , — , , ,, 一 ， 河南 安 阳人 ， 士研 究生 ， 男作 者简 介 :胡 万里 (,, ) ， 硕 , 研究 方 向为农 业生 物环 境 与能源 ,程 。, 丹 , , , ”,日 挥 二, , , 思 昂 )( 二 , , 删 ， 又进 行 涂成黑 色 。这 薄薄 的黑 色涂层 既 能吸光 ， 长 由汉斯等 反射方式被 吸收 ， 波则被反射 。最初 ， 对于太 阳能利用效果影 响很大 。然 而 ， 光热转换 ， 人 制成一种 多层重 叠 的组件 ，利 用干涉效 应使 其 肉眼感 觉 黑涂层并 非是 吸收太 阳能 的理 想 涂层 ， 对 太阳光峰值 附近波段强烈 吸收 ，在红外 波段 自 到涂层黑 的程度并 不能说 明吸热性 能 的优 劣。其 并借 助 了衬底 涂层 的高红外 反射特性 。 由透 过 ， 选 一 实 ，普通 表面 可 以 比作是 一个 有漏 洞 的 口袋 ， 择衬底 金属和表 面介 质膜很重要 ，用作基材 和半 另一 方 面它 又把装 方 面它能 把 阳光装进 口袋 里 ， , , , ， , , 透 明金属 薄层 的材料 有 , ，, ，, ，, ，,，, 进 口袋 的太 阳能 以热 辐射 的形 式散 发 出去 ， 面 表 介 , , , ,, ， ，, ,， , , 等 ， 质材 料有 , ,，,,，, ,, ,, , ，, ， “ 的温度越 高 ，漏掉 ” 这种表 的能量就越 多 。显然 ， ,， , ， , , , , , ,,等 。涂层 厚度应符合 干涉条件 的要 面 吸收 的能量 多 ， 掉 的能 量也 多 ， 转 化效 率 跑 其 随着层数增加 ， 求， 吸收率 的总趋势是 增加 的。干 非全 黑 ” 面 ，极低 。选择性 涂层 系统是 一 种 “ 表 这 涉 滤 波 型涂 层 系 统 有 “钼一 氧 化 铈 一钼一 氧化 对红 外 光是 白的 ， 保 种 表面 对 太 阳光是 黑 的 ， 它 ，硅一氮化硅一 硅一 银 ” 。 镁” “ 等 留了普 通黑 表面 吸收太 阳光 的能 力 ，同时弥补 了 ,体 ( ) 吸 收 型 涂 层 ?胀ê诒?面热 损失的漏洞 。 , 它 是 一 种 吸 收 范 围为 , , , 的 半导 体 薄 黑 由维 恩位 移定 律可 知 :在不 同 的温度 下 ， 膜 ，在大 于 , ,的红外 波段表 现出很 高的反射 随着 温度 的升 高 ，体辐射 的波长 有 一个 极 大 值 ， 特性 。半导体 材料特有 的内部电子结 构决定其适 波 长 的峰值 向短 波方 向移 动 。太 阳的 表面 温 度 ? 宜做 选择性涂层 。半导体材 料都有特定 的能带隙 , ， ( 而 , , , , 辐射 波 长 峰值 集 中在 ,, , 附 近， , , ，波长大 于吸收 限的光子不 足 以激 发 内部 的 电 一 , ，波长 峰值 在 , , 般 物体 温度不 超过 , , , 子 而起 到迁移作 用 ，可 以使 衬底 的反射率 达到很 任何 物质 只吸 收 以上 。从 量子论 的角 度来 分析 ， 波长 小于吸收 限的光子激发 电子 ， 高。 使其 由价带 它所 吸收 光子 的能量 必 须能使 原 特定波 长 的波 ， 从 半 如 硅 锗 到导带 ， 而吸收太 阳能 。 导体材料 ( : ， ，子 从基 态 跃

迁 到激 发态 或 者 使 分 子振 动 ，辐射 是选 择性 吸收涂 层 的理想材 料 ， 硫化铅 等 ) 但是 其 光 的波 长 必 须与 吸 收光 的波 长 能 量 匹配 。 太 阳 使表 面反射率提 高 ， 折射率 普遍很高 ， 造成很 大的 能 辐射 的能量 主要 集 中在 短 波段 ，而集 热 器 向 从 光损 ， 而影 响吸收率 。外 辐射 的能量 主要 集 中在 红 外段 ，两 者 的 光谱 ,表 ( ) 面涂黑型涂层 可线不 重合 。从理论 上讲 ， 以制备 出一 种涂 层材 涂 层 对太 阳能 的吸 收 ，不 仅 取 决 于物 体 的 其 波料 ， 吸 收表面 在太 阳光 谱范 围 内( 长 ,, ,, (, ( 而且 还取 决 于 表 面状 况 ， 影 响 物体 的 吸 颜色 ， 它 具 同时在 红 外 光谱 范 围 内 ,) 有较 高 的吸 收 比， 光 收 和反射 性能 。不 管是什 么 颜 色 ， 滑 面总要 比 ( 长 为 ,, ,, ,)保 持 尽 可 能 低 的热 发 射 波 (, ( 粗糙 表 面 的 反 射率 高 出好 几 倍 。要想 增 加 物 体 就是 要使 吸收 表 面在最 大 限度地 比。换 句话说 ， 可在 表 面 涂一 层 不光 滑 的黑 色 染 料 ， 的吸收 率 ， 吸 收太 阳辐 射 的同 时 ，尽 可 能减 小 其 辐 射热 损 煤烟 等 。 如油 、 提失 。这样 就 可 以充 分地 利用 太 阳能 ， 高太 阳能 , 凸凹表 面型涂层 ()的利 用效率 。 微 孔 型 粗 糙 表 面或 小 颗 粒 表 面对 于 长 波 辐 , 选 择性吸收涂层 及制备方 法 对 射和短 波辐 射具 有不 同效 应 ， 于短 波辐 射它 是 (,,涂 层 的 种 类 能将 其 充 分 吸收 ， 于 长 波辐 射 它 呈 粗糙 表 面 ， 对 根据 吸收 原理 和涂 层结 构 的不 同 ， 以把 选 可 反 镜面 ， 射率很 高 。 当微孔 表面粗 糙 度 和太 阳辐 择性 吸收涂层 分为以下几种 。 由 可 射波 长 相 比很 大 时 ， 于表 面微 孔 的反 射 ， 以 ( ) 涉滤 波 型 涂层 ,干 提高对 太 阳光 的吸收能 力 。当表 面粗糙 度与热辐 利用 干涉 .

范文四：光谱选择性吸收涂层模拟

中高温太阳光谱选择性吸收涂层填充因子计算机模拟

一、导语

太阳光谱选择性吸收涂层按其使用范围可分为低温、中温、高温太阳能涂层3类。低温是指工作温度在100℃以下；中温太阳光谱吸收涂层主要应用在太阳能空调上，其工作温度分布在100-200℃；高温太阳光谱吸收涂层的工作温度在350℃以上。这类太阳能涂层主要应用在太阳能热电站，甚至可以利用它产生的高能量分解水制氢，属于太阳能热利用中的前沿领域。 选择性吸收涂层具有在太阳光谱可见近红外波段高吸收，在红外波段高反射的特性。由于太阳辐射主要集中在300-2500nm 范围内，而黑体辐射强度峰值主要分布在红外波段，根据基尔霍福定理，对红外波段光谱的全反射可避免材料表面因热辐射而损失热量，因此，选择性吸收涂层满足最大限度吸收光波的同时又能减少热损。从目前发展来看，选择性吸收涂层是一种可靠的、有待拓展的吸收机构。自20世纪90年代以来，新型高温太阳能吸收涂层的研究朝着耐久性、耐腐蚀性、低成本的方向大范围展开，出现了一些新材料，新膜层结构和经济性的加工工艺。本文在近几年国际高温涂层研究的基础上，根据理论计算和实验结果分析了陶瓷中金属组分即填充因子对高温吸收涂层的效率影响，为膜层设计提供依据。

本文以Ti-AlN 单层膜为研究对象，借助计算机模拟着重计算了不同的填充因子和膜层厚度，分析了吸收涂层对入射光本身吸收和相消性干涉的作用机理。

二、理论基础

常见的用来计算金属-陶瓷复合薄膜的等效介质理论有：Maxwell-Garnett （MG ）弥散微结构理论、Bruggeman （Br ）聚集微结构理论和PingSheng 双团簇微结构理论等。其中Br 理论是最常用的一种理论，其结构表达式如下：

其中，分别为金属介质和复合金属介质的介电函数，为金属体积分数。在知道了金属和陶瓷不同波长下的光学常数，就可以计算得到不同金属填充因子金属-陶瓷复合材料的光学常数。

实际沉积选择性吸收涂层金属-陶瓷复合层时，一般采用金属层和陶瓷层沉积速率来确定金属-陶瓷复合层的金属填充因子。但镀膜时两种材料交替沉积，材料沉积速率不再是单独沉积时的速率，且膜厚测量重复性也不好。国外M.RezaNejati 利用CODE 软件对不同工艺制备的金属-陶瓷膜层的光学常数进行了模拟和分析。

三、实验方法

本实验采用SCS-700型镀膜机，并结合靶电压控制器，实现镀膜工艺稳定控制。 表3.1直流磁控溅射沉积工艺

沉积方法 直流磁控溅射

Al/Ti靶材尺寸（mm ）/ 2050*70 ，本底真空度 1.0*10-2 ，Ar 气流量(sccm) 50

转架速度 1.5r/min

所用Al/Ti圆柱靶材采用直流电源溅射沉积。玻璃样品上沉积不同N2流量的Ti-AlN 复合层，

用来分析金属-陶瓷复合材料的填充因子f 和膜厚d 。镀膜前，样品均经过超声波清洗、烘干。实际镀膜工艺参数如表3.1所示。

四、结果与分析

4.1Ti-AlN 膜层制备；

实验制备Ti-AlN 是通过固定Al 靶电流值，改变N2流量值得到不同填充因子的Ti-AlN 层。气体流量越大，与金属反应越多，金属的填充因子就越小。反应磁控溅射，靶电压随气体流量增加而逐渐减小，即所谓的“靶中毒”曲线。图4.1是Al 靶中毒曲线，可以看出随着N2流量增加，靶电压逐渐降低，在气流达到70SCCM 时，电压不再降低，此时靶已经深度中毒。然后再逐渐减小气体流量，电压又逐渐上升，但在相同气体流量下，靶电压并不能回到之前的数值，只有再进一步减小气流，电压才能回到原来的值，存在一定的“迟滞”效应。

图4.1Al 靶中毒曲线

4.2Ti-AlN 复合层填充因子

根据靶中毒曲线，选择不同流量，制备得到不同填充因子的Ti-AlN 膜层。利用等效介质理论，对膜层反射光谱进行模拟，得到膜厚和组分（金属填充因子）。

图4.2Al/Ti靶电流35A 、N2流量45SCCM 时模拟和测量反射光谱

图4.2是在Al/Ti靶电流35A ，N2流量45SCCM 时模拟和测量的反射光谱，可以看出两者基本重合。此时复合膜的填充因子为0.35，膜厚为68nm 。而实际测量的膜厚是65nm 。 图4.3填充因子随N2流量变化曲线

图4.3是在Al/Ti靶电流35A ，填充因子随N2流量变化的曲线，可以看出随着氮气流量从5SCCM 到20SCCM 之间，填充因子会急剧下降，20SCCM 以后填充因子随氮气流量的大小呈现线性变化的关系。

五、应用

薄膜的吸收机理包括膜层相消性干涉和吸收层金属粒子的本身吸收，对入射光吸收起主要作用的就是相消性干涉。在此基础上便可以制备双吸收结构膜层，双吸收层是由填充因子低的金属陶瓷层（LMVF ）叠加在填充因子高的金属陶瓷层（HMVF ）组成的，每层金属陶瓷中填充因子一定，膜层厚度一定。这种吸收涂层的光谱吸收截止波长明显，选择性易控制，在高温工作范围内增加涂层的吸收比不会带来热反射比的迅速升高，其吸收比α=0.92-0.94，在350℃下发射比ε=0.02-0.03。

责任编辑：Sally 电话：0534—2753670

范文五：太阳能选择性吸收涂层

太阳能选择性吸收涂层

一、太阳能吸收涂层的选择性与衡量标准

一般来讲，不透明材料存在3种不同类型的选择性表面：第一是以涂黑漆的吸热板为代表的黑体表面，它对太阳光的吸收率和发射率相等；第二是选择性吸热涂层，它有高的太阳能吸收率和红外发射率；第三是选择性放热涂层，它能有效地吸收太阳能，而受热后自身长波造成的热损失很小。

太阳能选择性涂层的吸收光谱与太阳发射光谱相匹配，它能极大地提高太阳能集热器的集热效率和利用效率，太阳光辐射的能量主要分布在波长 为0．25～3Ilm 的光谱区内，即太阳辐射能主要分布在可见光和近红外区，而物体受热发生黑体辐射的能量主要分布在波长为2～100舯的光谱区中，亦即主要在远红外区。为了能够充分利用太阳能，人们设计出了选择性吸收的太阳能涂层材料，这种材料必须满足以下2个条件：（1)太阳光谱内的吸光程度高，即有尽可能高的吸收率。(2)辐射波长范围内有尽可能低的辐射损失，即有尽可能低的发射率。

二、选择性吸收涂层及制备方法

1、涂层的种类

根据吸收原理和涂层结构的不同，可以把选择性吸收涂层分为以下几种：

(1)干涉滤波型涂层

利用干涉原理制备的涂层系统，可以广泛用于改变或控制涂层的反射率、透过率和吸收率。涂料表层的光谱特性由分层结构界面上反射和投射之间的相互干涉所决定。涂层由介质和金属组成多层薄膜系统，太阳辐射在膜系内通过多次反射方式被吸收，长波则被反射。最初，由汉斯等人制成一种多层重叠的组件，利用干涉效应使其对太阳光峰值附近波段强烈吸收，在红外波段自由透过，并借助了衬底涂层的高红外反射特性。选择衬底金属和表面介质膜很重要，用作基材和半透明金属薄层的材料有Cu，Ag，Au，AI，Cr,Mo等，介质材料有MgF2,SiO2，AI203，Ce03，Se，Ge，PbS，ZnS，NiS等。涂层厚度应符合干涉条件的要求，随着层数增加，吸收率的总趋势是增加的。干涉滤波型涂层系统有“钼一氧化铈一钼一氧化镁”，“硅一氮化硅一硅一银”等。

(2)体吸收型涂层

它是一种吸收范围为1-3 m的半导体薄膜，在大于3 m的红外波段表现出很高的反射特性。半导体材料特有的内部电子结构决定其适宜做选择性涂层。半导体材料都有特定的能带隙Eg，波长大于吸收限的光子不足以激发内部的电子而起到迁移作用，可以使衬底的反射率达到很高。波长小于吸收限的光子激发电子，使其由价带到导带，从而吸收太阳能。半导体材料(如：硅，锗，硫化铅等)是选择性吸收涂层的理想材料，但是其折射率普遍很高，使表面反射率提高，造成很大的光损，从而影响吸收率。

(3)表面涂黑型涂层

涂层对太阳能的吸收，不仅取决于物体的颜色，而且还取决于表面状况，它影响物体的吸收和反射性能。不管是什么颜色，光滑面总要比粗糙表面的反射率高出好几倍。要想增加物体的吸收率，可在表面涂一层不光滑的黑色染料，如油、煤烟等。

(4)凸凹表面型涂层

微孔型粗糙表面或小颗粒表面对于长波辐射和短波辐射具有不同效应，对于短波辐射它是粗糙表面，能将其充分吸收，对于长波辐射它呈镜面，反射率很高。当微孔表面粗糙度和太阳辐射波长相比很大时，由于表面微孔的反射，可以提高对太阳光的吸收能力。当表面粗糙度与热辐射波长相比很小时，其热辐射的能力降低。对于小颗粒表面也是如此，颗粒层能吸收比其颗粒小的波长，而对更长的波长则是透明的，即透过率高，辐射率低，氧化铜，铜黑之类的氧化膜表面就属于此种涂层。

（5）金属一电介质复合涂层

这种涂层一般为高吸收的金属颗粒和陶瓷(电介质）的复合物，即在电介质基体中含有细小金属颗粒的复合涂层。由于金属颗粒的带间跃迁和颗粒间作用，使复合涂层在太阳光辐射区具有很高的吸收率，而在红外区具有很高的透明性。这种复合膜一般沉积在对红外区有很好反射性的金属(A1、Cu、Fe等)基体上，以得到最好的光吸收选择性。这类涂层具有很好的灵活性，可以通过选择适当的参数(如涂层厚度、粒子浓度、形状、尺寸、取向等)来获得最好的选择吸收性能。常用的电介质为Al2O3、多孔Al203和碳化物，常用的金属有Ni、Gr、Co、Mo、Ag、W 等。

2、涂层制备方法

(1)涂料法

这种方法首先制备一种乳胶状的漆料，然后采用喷、浸、涂刷、电泳等方法将漆料涂布在集热板上。涂料由色素和粘结剂组成。色素对太阳光的吸收作用和底材对红外的吸收作用，构成了整个涂层的光谱选择性。粘结剂的粘结性好，长波透过率高，在较高温度下仍具有稳定性。硫化铅、锗化硅等半导体材料和某些金属氧化物可做为色素材料，吸收率在0．90以上，辐射率在0．3以下。烯基材料(如聚乙烯，聚丙烯等)和有机硅可以做粘结剂，前者红外透明性好，后者耐温性好。

(2)化学转换法

利用化学方法使金属表面生成具有选择性吸收薄膜的黑色金属氧化物或硫化物。通常是采用喷涂或喷浸处理产生铜黑，锌黑等。涂层的吸收率在0．90以上，发射率在0．1左右。该制备方法生产设备简单，成本低廉。

(3)电镀法

利用电镀的方法来制备选择性吸收膜。镀锌钢板表面上制备黑镍选择性涂层，在以色列的太阳热水器上已使用了几十年，涂层吸收率约为0．90，发射率约为0．09，但它抗湿性能差，且不稳定。与此相比，黑铬涂层具有良好的稳定性和抗湿能力。

(4)真空磁控溅射法

涂层材料在真空室内被加热到熔点，用真空室内的电离气体轰击靶材料并使之溅射，溅出的靶材料撞击并粘附在底材上，形成选择性涂层。该法制备的涂层吸收率约为0．9以上，发射率在0．08左右。

（5）真空镀膜法

真空镀膜法是指利用真空蒸发和磁控溅射沉积单层或多层复合膜。如利用真空蒸发沉积Cr、Ni、Mo—A12O3、PbS等薄膜：利用磁控溅射沉积Al2O3一Mo—Al2O3．SiO2、金属(Cr、Fe、Mo、Ni、Ta、W)碳化物、Al2O3．A1FeCu．AI2O3、A1-N、Ni．NiO 等薄膜。另外利用射频溅射的方法可以制备Ni．Al2O3、Mo．A12O3、w—AI2O3、Au—MgO 等薄膜。磁控溅射方法具有很高的灵活性，通过改变磁控溅射的靶

材料，可制备各种各样的薄膜，从而优化出好的选择性吸收薄膜。采用溅射法制备的薄膜具有很高的耐热性，可用于高温环境。这种方法可以节约材料，而且没有电镀法、电化学法中的废液处理问题，具有环保性，但是其设备价格昂贵，不利于广泛推广。

三、现存问题与展望

理想的选择性涂层除了应具备良好的光学选择性外，还应该满足光学性好、耐候性强、价格低廉、工艺简单、材料供应充足和对环境无污染等条件。

目前，每一种选择性涂层及其制备方法，各有其不足：阳极氧化法的技术投资大，成本高；电镀黑铬涂层的制备，投资大，且存在环境污染；黑钴涂层成本高，黑镍涂层耐蚀性差；涂料型黑漆存在热发射比高，热损失大，且难于清洗，寿命短 的问题。为获得理想的选择性涂层，国内外基本在制备工艺上采用电化学和磁控溅射方法，将选择性涂层技术向多层化、堆垛型方向发展。随着新材料技术的发展，新型选择性涂料得到了应用，涂料型涂层的研制向着环保型的方向发展。另外，纳米技术和高温技术的应用和新功能材料的发现与应用，都将使太阳能选择性吸收涂层的研究获得新的进展。

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