太陽能高溫真空集熱管表面增透膜的制備工藝控制及性能

【摘要】：太陽能的利用能夠避免化石能源所帶來的環(huán)境危機(jī),同時(shí)滿足日益增長(zhǎng)的能源需求。太陽能光熱、光電利用技術(shù)可以解決工業(yè)與民生領(lǐng)域中的熱能和電能的供給。 高溫真空集熱管是太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部件,其性能直接決定整個(gè)系統(tǒng)的集熱效率。為了使太陽光最大化地透過玻璃進(jìn)入集熱管的核心部分,提升太陽光的利用效率,需要在玻璃管表面制備一層具有增透作用的光學(xué)薄膜。同時(shí),由于集熱管的使用環(huán)境在戶外,塵土及污染物的附著會(huì)影響到玻璃管的透光性能,這就給增透膜的自清潔性能提出了更高的要求。 二氧化硅(SiO2)薄膜由于具備低反射率及低的表面散射性能,可以增強(qiáng)光的透射率,因此,納米Si02被認(rèn)為是制備增透膜的首選材料。本論文針對(duì)目前太陽能集熱管對(duì)透光性及自清潔性能的需求開展了SiO2增透膜的制備工藝研究,解決了膜系設(shè)計(jì)、制備等技術(shù)問題。論文研究?jī)?nèi)容如下： 1、用電子束蒸發(fā)技術(shù)制備了單層SiO2增透膜,并考察膜厚度對(duì)膜層光學(xué)性能的影響,選擇了最優(yōu)化的工藝參數(shù)。結(jié)果表明,該膜層可使玻璃對(duì)可見光的透射率從92%提升至95%以上。 2、用溶膠-凝膠法制備了單層、雙層及復(fù)合SiO2增透膜膜系。截止目前,國(guó)內(nèi)外已有多篇文獻(xiàn)報(bào)道了用溶膠-凝膠法制備Si02薄膜的方法,但均是采用價(jià)格昂貴的正硅酸乙酯(TEOS)作為Si02溶膠的前驅(qū)體,這在很大程度上限制了薄膜的大面積工業(yè)化使用。針對(duì)該問題,本論文通過采用廉價(jià)的硅溶膠代替TEOS作為原料,工業(yè)乙醇為溶劑,以酸或堿為催化劑制備SiO2增透膜,并在理論上探討了不同催化劑作用下的過程機(jī)理。檢測(cè)結(jié)果表明,該膜系對(duì)玻璃的透光率均有大幅度的提升,透射率達(dá)96%-99%,且部分已應(yīng)用于太陽能集熱產(chǎn)業(yè)中。 3、為了制備集增透和自清潔于一體的多功能光學(xué)薄膜,論文采用真空鍍膜法制備了SiO2/TiO2雙層膜,其中的Ti02薄膜是用磁控濺射法制備,通過控制膜的厚度及后處理的工藝,該雙層膜將玻璃對(duì)可見光的透射率提升至94-95%,且膜層具有超親水性和光催化性能。 4、用溶膠-凝膠法制備出一系歹JSiO2/TiO2雙層膜及SiO2-TiO2復(fù)合膜,通過對(duì)薄膜光學(xué)性能、表面形貌、成份分析、自清潔性能的檢測(cè),選擇最佳工藝條件,得到了滿足實(shí)際應(yīng)用需求的薄膜。 【關(guān)鍵詞】：太陽能真空集熱管 二氧化硅 二氧化鈦 增透膜
【學(xué)位授予單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TM615
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 1 緒論11-18
• 1.1 論文工程技術(shù)需求背景12-16
• 1.2 論文研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)16-18
• 1.2.1 主要研究?jī)?nèi)容16-17
• 1.2.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)17-18
• 2 增透膜原理及應(yīng)用18-29
• 2.1 增透膜原理18-25
• 2.1.1 單層增透膜原理19-22
• 2.1.2 雙層增透膜原理22-24
• 2.1.3 三層增透膜原理24-25
• 2.1.4 多層增透膜原理25
• 2.2 增透膜的應(yīng)用25-26
• 2.3 增透膜的發(fā)展26-27
• 2.4 增透膜的制備方法27-29
• 3 增透膜的表征技術(shù)29-33
• 3.1 紫外可見分光光度計(jì)29
• 3.2 JSM-6701F冷場(chǎng)發(fā)射型掃描電鏡(SEM)29-30
• 3.3 X射線衍射儀(XRD)30
• 3.4 傅里葉變換紅外光譜儀30
• 3.5 納米壓痕實(shí)驗(yàn)的測(cè)試30-32
• 3.6 抗劃傷性能的檢測(cè)32
• 3.7 摩擦試驗(yàn)機(jī)32-33
• 4 電子束蒸鍍法制備單層SiO_2增透膜的工藝控制及性能33-38
• 4.1 電子束蒸鍍?cè)?/span>33
• 4.2 鍍膜設(shè)備33-34
• 4.3 電子束蒸鍍法制備單層SiO_2增透膜的鍍膜工藝34-35
• 4.4 結(jié)果與討論35-37
• 4.4.1 薄膜厚度對(duì)透光性能的影響35
• 4.4.2 SiO_2膜的形貌35-36
• 4.4.3 SiO_2膜對(duì)水的接觸角36
• 4.4.4 SiO_2膜硬度測(cè)試結(jié)果36-37
• 4.4.5 SiO_2膜抗劃傷性能檢測(cè)結(jié)果37
• 4.5 本章小結(jié)37-38
• 5 溶膠-凝膠法制備單層SiO_2增透膜的工藝控制及性能38-54
• 5.1 引言38
• 5.2 實(shí)驗(yàn)試劑(材料)38
• 5.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容38-40
• 5.3.1 SiO_2溶膠的配制38-39
• 5.3.2 單層雙面SiO_2增透膜的工藝控制39-40
• 5.4 結(jié)果與討論40-51
• 5.4.1 反應(yīng)機(jī)理40-44
• 5.4.2 陳化時(shí)間對(duì)光學(xué)性能的影響44-46
• 5.4.3 SA膜層數(shù)對(duì)光透射率的影響46
• 5.4.4 單面S_A膜與雙面S_A膜對(duì)光透射率的影響46-47
• 5.4.5 SiO_2單層膜的形貌47-49
• 5.4.6 SiO_2單層膜對(duì)水的接觸角49-50
• 5.4.7 S_A膜的X射線衍射(XRD)分析50
• 5.4.8 S_A膜硬度測(cè)試結(jié)果50-51
• 5.4.9 S_A膜摩擦學(xué)性能51
• 5.5 S_A膜在太陽能光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)中的制備、性能及應(yīng)用51-53
• 5.6 本章小結(jié)53-54
• 6 溶膠-凝膠法制備雙層或復(fù)合SiO_2增透膜的工藝控制及性能54-61
• 6.1 引言54
• 6.2 實(shí)驗(yàn)試劑(材料)54
• 6.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容54-56
• 6.3.1 復(fù)合SiO_2溶膠的配制54-55
• 6.3.2 雙層及復(fù)合SiO_2增透膜的工藝控制55-56
• 6.4 結(jié)果與討論56-59
• 6.4.1 不同的膜系對(duì)光透射率的影響56-57
• 6.4.2 雙層及復(fù)合SiO_2薄膜的形貌57-59
• 6.5 本章小結(jié)59-61
• 7 真空鍍膜法制備SiO_2/TiO_2雙層膜的工藝控制及性能61-73
• 7.1 TiO_2自清潔性能61-64
• 7.1.1 TiO_2光催化性61-63
• 7.1.2 TiO_2光致親水性63-64
• 7.2 磁控濺射原理64-65
• 7.3 鍍膜設(shè)備65-67
• 7.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容67-68
• 7.4.1 磁控濺射法制備TiO_2薄膜的鍍膜工藝67
• 7.4.2 真空鍍膜法制備的SiO_2/TiO_2雙層膜的光催化實(shí)驗(yàn)67-68
• 7.5 結(jié)果與討論68-72
• 7.5.1 鍍膜時(shí)間對(duì)雙層膜透射率的影響68-69
• 7.5.2 SiO_2/TiO_2雙層膜的形貌69-70
• 7.5.3 SiO_2/TiO_2雙層膜的水接觸角照片70
• 7.5.4 SiO_2/TiO_2雙層膜的X射線衍射(XRD)分析70-71
• 7.5.5 SiO_2/TiO_2雙層膜的紫外光催化性能71-72
• 7.6 本章小結(jié)72-73
• 8 溶膠-凝膠法制備SiO_2/TiO_2雙層膜的工藝控制及性能73-81
• 8.1 實(shí)驗(yàn)試劑(材料)73
• 8.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容73-75
• 8.2.1 TiO_2溶膠的配制73-74
• 8.2.2 SiO_2/TiO_2雙層膜的工藝控制74-75
• 8.2.3 SiO_2/TiO_2雙層膜的光催化實(shí)驗(yàn)75
• 8.3 結(jié)果與討論75-80
• 8.3.1 不同膜系的可見光透射率75-77
• 8.3.2 SiO_2/TiO_2雙層膜對(duì)水的接觸角77
• 8.3.3 SiO_2/TiO_2雙層膜的形貌77-78
• 8.3.4 SiO_2/TiO_2雙層膜紫外光催化性能78-79
• 8.3.5 SA/TB雙層膜抗劃傷性能79-80
• 8.4 本章小結(jié)80-81
• 9 溶膠-凝膠法制備SiO_2-TiO_2復(fù)合膜的工藝控制及性能81-94
• 9.1 引言81
• 9.2 實(shí)驗(yàn)試劑(材料)81-82
• 9.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容82-83
• 9.3.1 SiO_2-TiO_2復(fù)合溶膠的配制82
• 9.3.2 SiO_2-TiO_2復(fù)合薄膜的工藝控制82-83
• 9.3.3 SiO_2-TiO_2復(fù)合膜粉體光降解實(shí)驗(yàn)83
• 9.4 結(jié)果與討論83-93
• 9.4.1 SiO_2-TiO_2復(fù)合膜對(duì)可見光的透射率83-85
• 9.4.2 SiO_2-TiO_2復(fù)合膜的IR光譜圖85-86
• 9.4.3 SiO_2-TiO_2復(fù)合膜對(duì)水的接觸角86-87
• 9.4.4 SiO_2-TiO_2復(fù)合膜的形貌87-88
• 9.4.5 SiO_2-TiO_2復(fù)合膜的X射線衍射(XRD)分析88-90
• 9.4.6 SATH膜硬度測(cè)試結(jié)果90
• 9.4.7 SATH膜紫外光催化性能90-92
• 9.4.8 SATH膜的抗劃傷性能92
• 9.4.9 SATH膜的摩擦學(xué)性能92-93
• 9.5 本章小結(jié)93-94
• 結(jié)論94-96
• 致謝96-98
• 參考文獻(xiàn)98-106
• 攻讀學(xué)位期間的研究成果106

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