蘭州化物所超高溫陶瓷基太陽(yáng)能吸收涂層研究取得系列進(jìn)展

高溫太陽(yáng)能吸收涂層是太陽(yáng)能光熱發(fā)電的核心材料，同樣在重質(zhì)油開(kāi)采、海水淡化、冬季區(qū)域性供暖以及應(yīng)對(duì)霧霾等領(lǐng)域扮演著重要角色。高溫太陽(yáng)能吸收涂層應(yīng)具備高的吸收率、低的發(fā)射率和良好的熱穩(wěn)定性能。然而，太陽(yáng)能光熱發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)和核心材料的欠缺，嚴(yán)重制約了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。近年來(lái)，關(guān)注度較高的金屬-電介質(zhì)復(fù)合涂層由于在高溫條件下易發(fā)生金屬氧化、擴(kuò)散等問(wèn)題，最終導(dǎo)致涂層光學(xué)性能衰減。如何克服上述缺點(diǎn)，制備性能優(yōu)異的太陽(yáng)能吸收涂層，一直是新材料和能源研究領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)。

超高溫陶瓷(TiC、WC、HfC、ZrC和TiN)具有高熔點(diǎn)、高硬度、高導(dǎo)熱率、良好的抗氧化性和抗熱震性、中等熱膨脹系數(shù)和潛在的光譜選擇特性。近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所甘肅省黏土礦物應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（環(huán)境材料與生態(tài)化學(xué)研究發(fā)展中心）研究員劉剛、博士高祥虎率先在國(guó)際上開(kāi)展了超高溫陶瓷基高溫太陽(yáng)能光譜選擇性吸收涂層的可控制備及構(gòu)效關(guān)系研究。他們與德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)教授Wolfgang Theiss合作，通過(guò)光學(xué)軟件模擬，獲取了不銹鋼、超高溫陶瓷、光學(xué)玻璃、氧化鋁等材料的光學(xué)常數(shù)，并以此為基礎(chǔ)成功模擬設(shè)計(jì)出各類(lèi)超高溫陶瓷基太陽(yáng)能吸收涂層。依據(jù)光學(xué)模擬結(jié)果，利用磁控濺射技術(shù)，以不銹鋼(SS)為基底，在300oC的沉積溫度下制備出了SS/TiC/Al2O3、SS/TiC-Y/Al2O3、SS/TiC-ZrC/Al2O3、SS/TiC-WC/Al2O3、SS/Al2O3(L)-WC/Al2O3(H)-WC/Al2O3、SS/TiN/Al2O3等系列高溫太陽(yáng)能吸收涂層。該類(lèi)太陽(yáng)能吸收涂層吸收率大于0.92、發(fā)射率小于0.12，且具有良好的熱穩(wěn)定性能(大于600oC)、抗腐蝕性能和抗熱震性能。部分涂層在真空800oC的環(huán)境下具有良好的長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性能，是目前所報(bào)道的耐高溫性能最佳的太陽(yáng)能吸收涂層之一。

研究人員利用現(xiàn)代分析表征技術(shù)，深入研究了此類(lèi)涂層的構(gòu)效關(guān)系并闡明了其在高溫下光學(xué)性能衰減機(jī)理隨著熱處理溫度的提高，過(guò)渡金屬碳化物太陽(yáng)能吸收涂層的拉曼光譜中ID/IG比值逐漸升高，即sp2C含量逐漸升高，從而引起涂層表面石墨化過(guò)程的加劇，最終導(dǎo)致涂層光學(xué)性能的衰減。為抑制高溫?cái)M合過(guò)程中sp2C含量的增加，研究人員利用雙靶共濺射技術(shù)制備出SS/TiC-ZrC/Al2O3吸收涂層。該復(fù)合陶瓷涂層具有高的吸收率(大于0.92)、低的發(fā)射率(0.11)和高的長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性能(700oC)。此外，研究人員在膜系設(shè)計(jì)中引入微量的稀土元素釔，通過(guò)高溫(800oC，5h)真空熱處理，最終制備出了具有微孔形結(jié)構(gòu)的超高溫陶瓷太陽(yáng)能吸收涂層，其吸收率大于0.90、發(fā)射率小于0.11，在800oC高溫條件下具有良好的長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性能，開(kāi)辟了一種新的微孔形超高溫陶瓷制備方法。同時(shí)，研究人員還制備出了紫色高溫太陽(yáng)能吸收涂層(SS/TiC-WC/Al2O3)，并對(duì)其進(jìn)行了色度研究，繪制了色度圖。

該研究工作提供了一種簡(jiǎn)單且具有普適性的高溫太陽(yáng)能吸收涂層制備新方法，豐富和發(fā)展了高溫太陽(yáng)能吸收涂層膜系理論，揭示了涂層構(gòu)效關(guān)系，闡明了高溫下光學(xué)衰減機(jī)理，極大拓展了超高溫陶瓷在太陽(yáng)能光熱發(fā)電中的應(yīng)用，為此類(lèi)高溫太陽(yáng)能吸收涂層的可控制備奠定了理論基礎(chǔ)，在中低溫太陽(yáng)能吸收涂層研究領(lǐng)域同樣具有重要的應(yīng)用價(jià)值。相關(guān)研究成果發(fā)表在Solar Energy Materials & Solar Cells、RSC Advances、Optical Materials、Surface Engineering、Journal of Materials Engineering and Performance 等期刊上。同時(shí)申請(qǐng)了國(guó)家專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)?01610418110.9，201610418136.3，201610418437.6，201610418415.X，201610424296.9，201510983832.4，201510983817.X。

該系列研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(51402315)、中科院太陽(yáng)能行動(dòng)計(jì)劃、中科院修繕購(gòu)置專(zhuān)項(xiàng)等項(xiàng)目的長(zhǎng)期支持。