环境材料与生态化学研究发展中心知识库

     基于超高温陶瓷高的熔点、良好的导电性能和潜在的光谱选择特性，本文开展了金属掺杂碳基高温太阳能光谱选择性吸收涂层的可控制备及构效关系研究。利用磁控溅射技术，在不锈钢(SS)基底表面制备了一系列以TiC、WC、ZrC和TiN为基体材料的金属掺杂碳基薄膜高温太阳能吸收涂层；通过光学软件模拟，获取了不锈钢、超高温陶瓷、光学玻璃、氧化铝等材料的光学常数，并以此为基础成功光学模拟设计了各类金属掺杂碳基太阳能吸收涂层；研究了该类太阳能吸收涂层的结构、光学性能和热稳定性能；本文丰富和发展了金属掺杂碳基太阳能吸收涂层膜系理论、揭示了涂层构效关系、阐明了该类太阳能吸收涂层在高温下光学性能衰减的机理，主要研究成果如下：

   1.制备了SS/TiC/Al₂O₃太阳能吸收涂层，其吸收率为0.92、发射率为0.13。SS/TiC/Al₂O₃太阳能吸收涂层在真空500 ℃环境下具有良好的长期热稳定性能。随着热处理温度的提高，涂层表面ID/IG的比值逐渐升高，即sp² C含量逐渐升高，从而引起涂层表面石墨化过程的加剧，最终导致涂层光学性能的衰减。电位极化曲线和盐雾试验结果表明，SS/TiC/Al₂O₃太阳能吸收涂层具有良好的抗腐蚀性能。利用CODE光学设计软件成功优化设计了SS/TiC/Al₂O₃太阳能吸收涂层的反射光谱，其吸收率为0.92、发射率为0.12。

    2.制备了SS/TiC-Y/Al₂O₃微孔形陶瓷太阳能吸收涂层，其吸收率为0.71、发射率为0.11。高温真空热处理和稀土Y的加入促使涂层形成微孔形结构，并具有高的吸收率(0.90)和低的发射率(0.11)。高温真空热处理后，拉曼图谱中的ID/IG的比值增加，从而引起sp² C含量的增加，最终导致涂层表面石墨化现象的发生。稀土Y的加入，有效促进了SS/TiC-Y/Al₂O₃涂层微孔形结构的形成。SS/TiC-Y/Al₂O₃微孔形太阳能吸收涂层在800oC真空环境下具有良好的长期热稳定性能。

   3.制备了SS/TiC-ZrC/Al₂O₃复合陶瓷太阳能吸收涂层，该涂层吸收率为0.92、发射率为0.11。SS/TiC-ZrC/Al₂O₃涂层在真空700oC具有良好的长期(100小时)热稳定性能，其吸收率为0.92、发射率为0.13。随着热处理温度的提高，SS/TiC-ZrC/Al₂O₃涂层中ID/IG的比值增加，相应的sp2C含量增加，涂层石墨化程度加强，最终导致涂层光学性能的衰减。

   4.制备了SS/TiC-WC/Al₂O₃紫色高温太阳能吸收涂层，其吸收率为0.92、发射率为0.11。利用色度软件绘制了SS/TiC-WC/Al₂O₃太阳能吸收涂层的色度图。SS/TiC-WC/Al₂O₃太阳能吸收涂层在真空500 ℃环境下具有良好的长期(100小时)热稳定性能。随着真空热处理温度的提高，SS/TiC-WC/Al₂O₃太阳能吸收涂层中ID/IG比值增加，sp² C含量增加，涂层石墨化现象加剧，最终导致涂层光学性能衰减。

    5.制备了SS/Al₂O₃(L)-WC/Al₂O₃(H)-WC/Al₂O₃太阳能吸收涂层，该涂层的吸收率为0.94、发射率为0.08。利用CODE光学软件成功模拟了SS/Al₂O₃(L)-WC/Al₂O₃(H)-WC/Al2O3太阳能吸收涂层的反射光谱。光学模拟的结果表明，涂层的吸收率为0.93、发射率为0.05。SS/Al₂O₃(L)-WC/Al₂O₃(H)-WC/Al₂O₃太阳能吸收涂层在真空600 ℃真空热处理5小时后，光学性能稳定。

   6.制备了SS/TiN/Al₂O₃太阳能吸收涂层，其吸收率为0.92、发射率为0.13。高的基底温度显著提高了SS/TiN/Al₂O₃太阳能吸收涂层的光学性能。SS/TiN/Al₂O₃太阳能吸收涂层在真空500 ℃环境下，热处理5小时，光学性能稳定。该涂层在空气中200 ℃环境下，热处理2小时，光学性能稳定。在空气中，TiN被氧化成稳定的TiO₂，从而导致涂层光学性能衰减。