光譜選擇性吸收涂層的成分

【專家解說】：根據(jù)吸收太陽光的原理和涂層的構(gòu)造不同 , 可將選擇性吸收涂層分為四類。 (1) 半導體涂層 半導體涂層是利用半導體物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)中適當能隙 Eg , 吸收能量大于 Eg 的太陽輻射光子 , 從而使材料的價電子產(chǎn)生躍遷進入導帶 , 而對能量小于 Eg 的光子透過。所以要求半導體物質(zhì)能隙最好為 0 . 62ev (1ev =1 . 602 × 10 -19 J) , 即 9 . 939 × 10 -20 J 。它吸收可見光而不吸收紅外線 , Si 、 Ge 是最常見的半導體材料。過渡金屬的氧化物、硫化物都屬化合物半導體 , 如黑鉻 (Cr x O y ) 、黑鎳 (NiS-ZnS) 、氧化銅黑(Cu x O y ) 和氧化鐵 ( Fe 3 O 4 ) 等。 (2) 光干涉涂層 光干涉涂層利用了光的干涉原理 , 是由非吸收的介質(zhì)膜與吸收復合膜、金屬底材或底層薄膜組成 , 并嚴格控制每層膜的折射率和厚度 , 使其對可見光譜區(qū)產(chǎn)生破壞性的干涉效應 , 降低對太陽光波長中心部分的反射率 , 在可見光譜區(qū)產(chǎn)生一個寬闊的吸收峰 , 如 Al 2 O 3 -Mo x -Al 2 O 3 (AMA) 三層膜 , AlN -Al/ Al 八層 中國涂料在線 www.coatingol.com 膜 , OCL I 多層膜等。 (3) 米氏散射涂層 米氏散射涂層是根據(jù)有效的媒質(zhì)理論 , 利用在母體中細分散的金屬粒子 , 對可見光的不同波長級光子產(chǎn)生多次散射和內(nèi)反射而將其吸收。金屬粒子和氧化物的共析涂層 , 如 Co -Al 2 O 3 涂層、 Al -Al 2 O 3 涂層、 Au -Al 2 O 3 涂層和黑鎳等屬于此類。 (4) 多孔涂層 多孔涂層是通過控制涂層表面的形貌和結(jié)構(gòu) , 使表面不連續(xù)性的尺寸與可見光譜峰值相當 , 從而對可見光起陷阱作用 , 對長波輻射具有很好反射作用 , 即在短波側(cè)以黑洞的形式集光 , 而在長波側(cè)以平面的形式輻射光。如通過化學腐蝕在銅表面形成具有林曼狀結(jié)構(gòu)的 Cu -CuO 涂層 , 鎢的化學蒸鍍涂層及粗糙表面上的黑鉻鍍層等都利用這一性質(zhì)。 3 . 2 按制備工藝不同分類 根據(jù)制備工藝不同 , 又可將選擇性吸收涂層分為四類。 (1) 電鍍涂層 常用的電鍍涂層主要有黑鎳涂層、黑鉻涂層、黑鈷涂層等 , 均具有良好的光學性能。以黑鉻和黑鎳的效果最好 , 吸收發(fā)射比 ( α / ε ) 接近 6 ～ 13 。但電鍍黑鉻生產(chǎn)成本高 , 同時鍍液中的 Cr 6 + 對環(huán)境有污染。電鍍黑鎳耗能少、成本低 , 鍍液中不存在有毒物質(zhì)。但黑鎳涂層薄、熱穩(wěn)定性、耐蝕性較差 , 通常只適用于低溫太陽能熱利用。 Saher Shawk 等研究的黑鎳鍍層吸收率能達到 0 . 93 , 耐久性、熱穩(wěn)定性、抗腐蝕能力較強 [ 2 ] 。費敬銀 [ 3 ] 等研制的黑色鎳 — 錫合金鍍層 , 由于其中不含硫 , 所以能克服黑鎳鍍層所具有的缺點 , 其鍍液的配制比較復雜。 (2) 電化學轉(zhuǎn)化涂層 常用的電化學涂層有鋁陽極氧化涂層 , CuO 轉(zhuǎn)化涂層和鋼的陽極氧化涂層等。其中鋁陽極氧化涂層光譜選擇性、耐腐蝕、耐光照性能良好 , 在太陽能熱水器上得到了廣泛應用。 CuO 轉(zhuǎn)化鍍涂層有一層黑色絨面 , 保護不好容易導致性能下降 , 鋼的陽極氧化涂層抗紫外線和抗潮濕性能好 , 這類涂層一般吸收率為 0 . 88 ～0 . 95 , 發(fā)射率為 0 . 15 ～ 0 . 32 。 Jahan , F 等研究的 Mo 黑化學轉(zhuǎn)化涂層 , 吸收率最大能達到 0 . 87 , 發(fā)射率為 0 . 13 ～ 0 . 17 [ 4 ] 。 (3) 真空鍍膜涂層 利用真空蒸發(fā)和磁控濺射技術(shù)制取 , 如利用直接蒸發(fā)制取的 PbS/ Al/ Al 涂層。利用磁控濺射制取的有不銹鋼— 碳 / 銅涂層、 AlCN 涂層、 AlN x O y 涂層和 Ni -Cr 涂層等。應用比較多的是多層漸變鋁氮鋁 (Al -N/Al) 涂層 , 該涂層具有良好的光譜選擇性 , 但當溫度升高時 , 發(fā)射率也隨之急劇上升 , 只能在 250 ℃ 以下使 中國涂料在線 www.coatingol.com 用。 還有采用射頻濺射制備的金屬陶瓷復合涂層 , 主要應用在中高溫領(lǐng)域 , 它是近年來新開發(fā)的工藝 , 如Ni -Al 2 O 3 涂層。 Wu -AlN x 選擇性涂層 , 是將鎢、鉻等金屬粒子摻入氮化鋁介質(zhì) , 得到金屬陶瓷復合涂層?；捎勉~、鋁等反射率高的金屬 , 集熱溫度可達 350 ℃ 以上。 Farooq , M. O 等采用 Ni ∶ SiO 2 金屬陶瓷作吸收層 , Ni 在涂層表面的體積比為 10 % , 到底部逐漸變化為90 % , 涂層厚度為 (100 ～ 170) nm , 吸收率為 0 . 96 , 發(fā)射率為 0 . 03 ～ 0 . 14 [ 5 ] 。 Zhang Qi -chu 等采用摻鉬的三氧化二鋁 (Mo -Al 2 O 3 ) 金屬陶瓷作為選擇性吸收涂層材料 , Al 2 O 3 作減反射 層 , 雙層Mo -Al 2 O 3 金屬陶瓷層作吸收層 , Mo 或 Cu 作減反射層 , 該涂層在 350 ℃ 下性能穩(wěn)定 , 吸 收率為0 . 96 , 發(fā)射率為 0 . 11 [ 6 ] 。 (4) 涂料涂層 是一種發(fā)展比較早的涂層 , 制備方法一般采用 壓縮空氣噴涂法。如 Fe 2 O 3 -Cr 2 O 3 涂層 [ 7 ] , 以Fe 2 O 3 、 Cr 2 O 3 和 MnO 2 為顏料 , 有機硅改性丙烯 酸樹脂為粘結(jié)劑 , 涂層的吸收發(fā)射比可達 3 . 26 ; PbS 涂層 , 以 0 . 1 μ m 林蔓狀晶體 PbS 為顏料 , 乙 丙橡膠或氟樹脂為粘結(jié)劑 , 吸收率為 0 . 85 ～ 0 . 91 , 發(fā)射率為 0 . 23 ～ 0 . 40 , 制備簡單 , 但林蔓狀結(jié)構(gòu) 易氧化失去轉(zhuǎn)換性 , 防銹性能差 [ 8 ] ; 硅溶膠吸熱 涂層 [ 9 ] , 以硅溶膠作粘結(jié)劑 , Fe 粉作發(fā)色體 , 涂 層成本低、耐候性和防水性好 , 吸收率為 0 . 94 , 發(fā)射率為 0 . 41 , 但因為含有機物 , 使用壽命短。 還有酞菁綠涂層 , 顏料成分為 Fe 3 CuO 5 , 裝飾性 好 , 適合在太陽房和平板式熱水器上應用。吳桂 初[ 10 ] 采用粉末火焰噴涂法制備的黑鉻太陽能選擇 性吸收涂層 , 工藝簡單、成本低、性能穩(wěn)定、光譜 選擇性好 , 其吸收率為 0 . 91 , 發(fā)射率為 0 . 15 。