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科學要聞
寧波材料所研發耐高溫太陽光譜選擇性吸收涂層獲系列進展

金屬納米粒子嵌入到陶瓷基體中組成的金屬陶瓷薄膜是太陽光譜選擇性吸收涂層的核心工作層,其熱穩定性和綜合光學性能直接決定著整個涂層的光熱轉換效率。高溫下,金屬陶瓷膜內金屬納米粒子的團聚、長大、氧化及涂層內層間原子的擴散遷徙,往往會導致成分和微結構的變化,從而誘發涂層光學性能的衰減 (不可逆性)。如何解決上述問題,構建熱穩定性優異、熱發射率低且吸收率高的太陽光譜選擇性吸收涂層,是光熱技術應用所面臨的重要材料基礎問題。

近年來,中國科學院寧波材料技術與工程研究所功能薄膜與智構器件團隊聚焦新型金屬陶瓷基太陽光譜選擇性吸收涂層研發,以提升熱穩定性為抓手,在新型耐高溫金屬陶瓷材料設計、光學模擬、涂層構筑和熱穩定性強化機理研究等方面開展了一系列的工作。前期,利用金屬Al合金化Ag納米粒子,結合多靶共濺射的方法,獲得新型AgAl-Al2O3金屬陶瓷薄膜,耐熱溫度較Ag-Al2O3(350°C)提高至500°C,在非真空條件下經高溫長時間退火(~1000 h),光學性能非常穩定(ACS Applied Materials Interfaces 2014, 6, 11550; Applied Surface Science 2015, 331, 285)。以AgAl-Al2O3金屬陶瓷薄膜作為吸收層,成功構建了AgAl-Al2O3太陽光譜選擇性吸收涂層。在氮氣氣氛下經500°C退火1002 h,其太陽光譜吸收率穩定在95%左右,400°C紅外發射率約在10-11%,如圖1所示(Advanced Materials Interfaces 2016, 3, 1600248)。

目前國內外研究人員積極開發基于熔融鹽(如60% KNO3+40% NaNO3)熱工質的高溫太陽能熱發電系統,其工作溫度常在550°C以上,客觀上對太陽光譜選擇性吸收涂層提出了更為苛刻的要求,如何獲得600°C下具備優異熱穩定性的太陽光譜選擇性吸收涂層是亟需攻克的難題之一。此外,伴隨工作溫度的升高,如何抑制高溫下熱輻射損失顯得愈發重要。基于前期的研究基礎,研究組開發出另一種新型金屬陶瓷薄膜WTi-Al2O3。借助光學模擬設計,獲得太陽光譜選擇性吸收涂層結構參數的優化范圍,構建了WTi-Al2O3太陽光譜選擇性吸收涂層。經600°C長時間(840 h)退火,WTi-Al2O3涂層仍保持較高的吸收率~93%,500°C下的熱發射率僅有10.3%,遠低于文獻報道值(>13%@500°C)。研究表明,WTi合金納米粒子內金屬Ti的外擴散、偏析及部分氧化可有效抑制W納米粒子的團聚和長大,從而提高涂層的熱穩定性,實現對WTi-Al2O3太陽光譜選擇性吸收涂層光學性能和熱穩定性的雙重調控(Nano Energy 2017, 37, 232),如圖2所示。

上述研究方法不同于傳統的靠引入難熔合金、高熔點金屬間化合物等思路,主要策略是借助熱處理條件下合金納米粒子自鈍化效應來提升太陽光譜選擇性吸收涂層的熱穩定性,該思路可拓展應用到其它合金納米粒子體系。以上工作得到國家自然科學基金、浙江省自然科學基金、江蘇省重點研究和發展計劃、浙江省重點實驗室和寧波市科技創新團隊等項目的資助。


圖1. AgAl-Al2O3金屬陶瓷基太陽光譜選擇性吸收涂層熱穩定性強化機理示意圖和熱處理前后反射光譜變化圖

圖2. WTi-Al2O3金屬陶瓷基太陽光譜選擇性吸收涂層在600°C退火前后反射光譜變化圖、微結構和熱強化機理示意圖


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