基于非真空太阳热发电集热管的电弧离子镀MeAlON高温选择性吸收涂层的制备及其热稳定性研究(Me=Ti,Cr,Zr,Nb)

针对目前太阳热发电选择吸收涂层生产效率低、成本高且在非真空条件下易失效、工作温度低的问题，本课题提出利用离化率高、沉积速率高的电弧离子镀制备Me-Al-O-N（Me=Ti, Cr, Zr, Nb）系列选择性吸收涂层，将电弧离子镀在高温防护涂层的工艺优势应用到选择吸收涂层领域，以达到高效率、低成本制备在非真空中具有尽量高工作温度和良好热稳定性的选择吸收涂层的目的。通过工艺参数优化和膜层结构优化，制备出在室温具有最佳选择吸收性能的涂层。重点考察该涂层在非真空下的热稳定性，通过建立元素热扩散模型和涂层物理失效模型，给出提高涂层工作温度和寿命的解决办法，重新优化工艺参数和膜层结构，反复试验和模拟计算，直至开发出一种或几种在非真空下工作温度高于500C、长寿命的实用膜系。本项目旨在提高选择吸收涂层在非真空下的工作温度和寿命，提高发电效率，简化集热管制作工艺，降低太阳热发电的成本，推进其产业化进程。

利用电弧离子镀技术制备了太阳光谱选择吸收涂层中单一涂层，如CrNx、ZrN和TiO2等二元薄膜，重点研究了试验参数对薄膜的相结构、光学性能和热稳定性能的影响。在此基础上，制备了多元和多层薄膜作为太阳光谱选择吸收涂层，如Ti-Mo-N和Ti-Al-O-N薄膜等，研究了薄膜相结构、光学性能和高温稳定性与试验参数之间的依赖关系，重点考察了薄膜的选择吸收性能和高温稳定性能。结果表明，本技术可实现CrNx薄膜的成分调控，进而实现成分优化和设计。在此基础上开发了成分梯度渐变的CrNx薄膜，实现了从金属粘着层到金属陶瓷再到陶瓷层的转变，高分辨率透射电镜（HR-TEM）结果表明：沿薄膜厚度方向，相组成依次为Cr、Cr+Cr2N、Cr2N、Cr2N+CrN、CrN；无偏压时，薄膜呈现典型的柱状晶微结构，施加偏压后，薄膜呈现为更加致密的等轴晶微结构；该薄膜在空气中具有良好的耐高温氧化性能：在空气中500℃保温2小时，无明显变化，加热温度高达700℃时，薄膜中有少量Cr2O3相产生。基片负偏压对TiO2薄膜的生长行为和表面形貌具有明显的影响。AFM结果表明，无偏压时，薄膜表面岛小，岛密度高，均方根粗糙度为1.1nm，施加负偏压后，薄膜表面岛大，岛密度变小，均方根粗糙度增大至3.8nm。利用优化的参数制备的TiAl/TiAlN/TiAlON/AlN太阳光谱选择吸收涂层室温时的选择吸收性能良好，在500℃亦能长时间保持良好的选择吸收性能，有望应用于非真空太阳热发电集热管表面的选择吸收涂层。