耐高溫選擇性吸收Ti(Mo)AlON薄膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備及表征.pdf

1、太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)核心部件——高性能集熱器對(duì)光熱轉(zhuǎn)換材料的性能要求日益提高，需要可在大氣環(huán)境及高溫(＞400℃)穩(wěn)定工作的高性能選擇性吸收薄膜材料。針對(duì)這一需求，本文提出以TiAl(O)N作為介質(zhì)材料，Mo納米粒子作為填充材料，設(shè)計(jì)出具有紅外反射層、吸收層、減反射層三主體功能層的耐高溫Ti(Mo)AlON選擇性吸收薄膜，其由內(nèi)至外膜層結(jié)構(gòu)為:Ti/Mo-TiAlN/Mo-TiAlON/Al2O3，層間采取漸變?cè)O(shè)計(jì)以抑制高溫服役時(shí)層間元素

2、擴(kuò)散，并利用多層結(jié)構(gòu)特征輔以光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)光干涉效應(yīng)。利用所建立的基于PEM的N2-O2雙氣氛自適應(yīng)反應(yīng)濺射方法，成功制備出所設(shè)計(jì)的多層漸變結(jié)構(gòu)薄膜，這種兼具本征吸收型、金屬-陶瓷型、光干涉型及多層漸變型吸收特征的多吸收機(jī)制薄膜，具有良好的大氣環(huán)境高溫穩(wěn)定性及較理想的選擇性吸收性能。在此基礎(chǔ)上，對(duì)吸收層Al含量、吸收層Mo含量、多層結(jié)構(gòu)尺度特征等關(guān)鍵工藝因素對(duì)薄膜性能及高溫穩(wěn)定性的影響規(guī)律及可能機(jī)制展開了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究及理論分析，初步建立

3、了此類薄膜的設(shè)計(jì)制備工藝方法及優(yōu)化思路。
　　研究結(jié)果表明:基于PEM的N2-O2雙氣氛自適應(yīng)反應(yīng)濺射技術(shù)制備Ti(Mo)AlON光熱薄膜具有與理論設(shè)計(jì)相一致的膜層結(jié)構(gòu)，吸收層Al含量、吸收層Mo含量、吸收層亞層尺度改變時(shí)，薄膜的物相構(gòu)成不變，為TiN、TiO或具有類似TiN面心立方晶格結(jié)構(gòu)的(Ti，Al)N、(Ti，Al)(N，O)化合物及Mo納米晶，但結(jié)晶物相的比例、生長取向、結(jié)晶度及摻雜相的尺寸、分布形態(tài)不同，導(dǎo)致薄膜光吸收

4、、熱輻射及熱穩(wěn)定性能有所差異。
　　Al含量由9at％增大到10at％、12at％后，薄膜在紫外光區(qū)反射率升高，400nm～1600nm反射率降低，吸收率隨吸收層Al含量增加而增大。500℃測(cè)試時(shí)，Al含量為9at％和10at％的薄膜法向發(fā)射率為0.10，Al含量繼續(xù)增大，平均法向發(fā)射率上升至0.15。
　　未摻Mo及Mo摻雜量為2at％、3at％的Ti(Mo)AlON薄膜在300nm～2400nm波長范圍內(nèi)吸收率α=0.9

5、2，Mo摻雜量為1at％的薄膜吸收率α=0.94，吸收性能最佳。熱氧化處理后，Mo含量為2at％的薄膜光吸收性能基本不變（α=0.94），其他薄膜吸收率均有所降低。室溫測(cè)試時(shí)，各薄膜法向發(fā)射率ε≈0.02，測(cè)試溫度升至500℃后，隨Mo摻雜量增大，平均法向發(fā)射率值由0.08增加到0.13，熱輻射增強(qiáng)。
　　不同尺度的Ti(Mo)AlON薄膜，厚度為310nm的薄膜光吸收性能最強(qiáng)，吸收率達(dá)0.95，但熱穩(wěn)定性最差，吸收層厚度增大，熱