| 过渡金属硼化物基高温太阳能吸收涂层的可控制备及构效关系研究 | |
| 邱晓莉 | |
| Thesis Advisor | 刘刚 |
| 2020-05-25 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| The second department | 环境材料与生态化学研究发展中心 |
| Keyword | 过渡金属硼化物，太阳能光谱选择性吸收涂层，热稳定性，光学模拟，失效分析 Transition metal borides, solar selectivite absorber coating, thermal stability, optical simulation, failure analysis |
| Abstract | 能源安全是关系国家经济社会发展的全局性、战略性问题。当今传统能源日益消耗，生态环境破坏严重，是人类生存与发展所面临的重大挑战。因此清洁能源的开发研究，成为全球能源发展的重点与趋势所向。聚光式太阳能热发电（Concentrated Solar Power, CSP）技术是指将太阳能聚集后，通过蓄热介质转化为热能，再将热能传送到发电系统进行发电，是一种绿色清洁的可再生能源发电技术，是未来解决能源问题最理想的途径之一。高温太阳能光谱选择性吸收涂层是CSP系统中光热转换的核心材料，其性能（高的吸收率、低的发射率和良好的热稳定性能）对提高光热转换效率和电站收益起着至关重要的作用。新一代槽式、塔式和碟式太阳能光热发电系统对于太阳能光谱选择性吸收涂层的高温热稳定性（大于600℃）和热辐射损失提出了更高的要求。 本研究利用过渡金属硼化物固有的吸收特性和良好的热稳定性，采用磁控溅射技术，在不锈钢（SS）基底表面制备了TiB2、HfB2和ZrB2等系列高温太阳能吸收涂层，并利用现代分析测试技术和CODE光学模拟软件研究了涂层的结构与光学性能、热稳定性之间的关系，阐明了过渡金属硼化物涂层在高温下的结构的演化过程和光学性能衰减的机理，为制备具有高温、超高温光谱选择性涂层材料提供理论支撑。具体研究内容如下： 1、利用磁控溅射的方法在不锈钢基底上制备了SS/HfB2/Al2O3光谱选择性吸收涂层，其吸收率为0.920，发射率为0.109。利用CODE光学模拟软件对SS/HfB2/Al2O3光谱选择性吸收涂层的反射光谱进行拟合比对，模拟与实验数据偏差为0.00000543。热稳定性测试表明：SS/HfB2/Al2O3涂层在600℃真空条件下退火2 h后光学性质稳定。当退火时间延长至100 h时，涂层在500℃退火后，无论在空气中还是真空中都能保持较高的光谱选择性。此外，涂层在真空中退火100 h后，其活化能约为66.31 kJ/mol。拉曼分析表明，HfO2的形成是涂层发生光学衰减的主要原因。 2、利用磁控溅射在不锈钢基底制备了SS/TiB2/Al2O3高温光谱选择性太阳能吸收涂层，其吸收率为0.930，发射率为0.110。将涂层分别真空环境中退火，研究其短期热稳定性和长期热稳定性。研究结果显示：涂层退火2 h后，在700℃下具有良好的热稳定性；涂层退火100 h后，在600℃下具有良好的热稳定性。拉曼分析表明，氧化反应是涂层发生光学衰减的主要原因。此外，对涂层的退火温度与涂层色度之间的关系也进行了研究。 3、利用磁控溅射技术在不锈钢基底制备了一种SS/TiB2-ZrB2/Al2O3新型复合陶瓷光谱选择性吸收涂层，涂层的吸收率为0.934，发射率0.118。热稳定性测试表明：涂层在600℃和700℃退火后，吸收率不变，发射率降低。这表明适当温度的退火可以提高涂层的光谱选择性。该涂层在700℃下具有良好的热稳定性，当退火温度升高到800℃时，涂层光学性能开始衰减。拉曼分析表明，氧化反应的发生是涂层发生光学衰减的主要原因。此外，对涂层的退火温度与涂层色度之间的关系也进行了研究。 4、在TiB2和HfB2吸收涂层的研究基础上，研究开发了一种新型的SS/TiB2-HfB2/Al2O3复合陶瓷基光谱选择性吸收涂层，涂层的吸收率为0.922，发射率为0.094，该涂层在真空800℃退火后光学性能稳定。当该涂层在500℃退火后，由于硼化物在低氧条件下逐步氧化，使得其转化形成为一种新的膜层结构（SS/HBVF/LBVF/Al2O3），从而进一步提高了涂层的光谱选择性。新涂层的吸收率为0.932，发射率为0.070。这种SS/HBVF/LBVF/Al2O3涂层在800℃的工作环境下光热转换效率可以达到68.62%。900℃退火后，涂层的光谱选择性明显降低。研究发现：涂层氧化和剥落是造成光学衰减的主要因素。 5、利用磁控溅射技术在不锈钢基底制备了SS/HfB2-ZrB2/ZrB2/Al2O3多层光谱选择性吸收涂层，该涂层吸收率为0.930，发射率为0.070。经椭圆偏振光谱仪和CODE软件对其进行拟合发现拟合数据与实测数据差异极小。经过5个周期的冷循环和热循环实验，涂层的吸收率略有下降，从0.93下降到0.91，但由于发射率较低，光谱选择性从12.92上升到14.84。这种多层结构的涂层表现出比单一吸收涂层光谱选择性更高的特点。该涂层在空气中经过5次抗热震实验测试后其性能稳定，几乎没有变化。在500℃退火2天后，涂层的光学吸收率降低到0.87。高分辨率透射电镜结果表明，氧化是造成光学衰减的主要原因。 |
| MOST Discipline Catalogue | 材料学 |
| Pages | 121 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/27380 |
| Collection | 环境材料与生态化学研究发展中心 甘肃省黏土矿物应用研究重点实验室 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 邱晓莉. 过渡金属硼化物基高温太阳能吸收涂层的可控制备及构效关系研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2020. |
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