银基合金/氧化铝复合金属陶瓷高温选择性吸收涂层制备及其热稳定性研究

The thermal stability of cermet photothermal conversion coatings is governed by the thermal endurance of metal particles, thus how to suppress the diffusion of metal particles and how to ensure the good oxidation resistance of the particles at high temperature, are the key scientific problems to research and develop cermet high temperature selective absorbing coatings. Based on the AgAl alloy/alumina composite (AgAl-Al2O3) cermet coatings as the research objective, this project will focus on delaying the optical performance attenuation of the cermet coatings at high temperature by alloying Ag metal particles. The purpose of the project lies in uncovering the physical mechanism to block the thermal diffusion of Ag in the alloy particles by investigating the change of the microstructure morphology of the alloy particles at high temperature, making clear the effect of the composition variation and the microstructure evolution on the optical performance of the cermet coatings under heat treatment, seeking out the technological approach to improve the thermal stability of the coatings, and successfully constructing AgAl-Al2O3 high temperature selective absorbing coatings. The alloying of the pure metal particles in cermet coatings creates a new way in the development of the cermet absorbing coatings with good thermostability. Upon this project implementation, it is favorable to enrich the theoretical foundation to inhibit the oxidation of the metal particles and/or their counterdiffusion at high temperatures, and to improve the optical performance of cermet coatings, which provides theoretical guidance for developing new-type high temperature solar selective absorbing coatings used in parabolic trough solar thermal power plants.

金属粒子的耐温程度决定了金属陶瓷光热转换涂层的热稳定性，因此高温下保证金属粒子具备氧化惰性的同时抑制粒子扩散是研发金属陶瓷高温选择性吸收涂层的关键科学问题。本项目以AgAl合金/氧化铝复合金属陶瓷（AgAl-Al2O3）涂层为研究对象，以合金化Ag金属粒子为手段来抑制金属陶瓷涂层高温下光学性能衰减，通过调控合金粒子微结构的形态，揭示阻挡合金粒子内Ag元素热扩散的物理机制，阐明热作用下合金粒子成分变化与微结构演化对金属陶瓷薄膜光学特性的影响规律，探索提升金属陶瓷吸收涂层热稳定性的技术途径，在此基础上构筑基于AgAl-Al2O3的高温选择性吸收涂层。本项目提出了将合金化金属粒子引入到耐高温金属陶瓷吸收涂层中的研究新思路，项目的完成将为解决高温下金属粒子氧化和/或扩散导致金属陶瓷吸收涂层性能衰减这一难题提供理论依据，对开发新型太阳能槽式热发电用高温太阳光谱选择性吸收涂层有重要的指导意义。

选择性吸收涂层在太阳光谱可见光到近红外范围内具有高的吸收，同时在红外波段具有较低的发射率，能有效地将太阳能转化为热能，是槽式太阳能热发电技术的关键所在，而目前金属陶瓷高温选择性吸收涂层热稳定性问题制约该技术规模化应用的瓶颈。槽式太阳能热发电用金属陶瓷高温选择性吸收涂层热稳定性的本源是高温下金属粒子的氧化和/或扩散行为而导致的性能退化，解决的关键在于保证金属粒子具备高温氧化惰性的同时抑制粒子间元素扩散。本项目以Ag金属粒子内掺入Al元素实现合金化为切入点，制备AgAl-Al2O3涂层，借助高温下AgAl粒子内Al元素的扩散分布和其在AgAl与Al2O3母相界面间的氧化等行为来阻挡粒子间Ag元素扩散，实现膜层性能热稳定性的提升，获得兼具优异光学性能和高温稳定性的金属陶瓷涂层材料，用于高温太阳光谱选择性吸收涂层的构筑。研究结果表明：.采用Ag、Al和Al2O3靶共溅射的方式制备出了AgAl-Al2O3金属陶瓷薄膜；随着金属Al掺入量的增加，膜层内大尺寸(>10 nm)纳米粒子或团簇的数量会增加，且其在氧化铝母相中的分布更趋于均匀一致，粒子形状也逐渐转变成类球形；金属Al掺杂浓度在0 at.%到35 at.%的AgAl-Al2O3金属陶瓷薄膜，经大气下的预退火处理后，在500 °C下氮气中退火990 h，其光学特性依然稳定。成分分析证实热处理过程中，AgAl-Al2O3薄膜内金属Al的扩散及氧化是抑制Ag原子热扩散的根本原因所在，即AgAl纳米粒子表层生成氧化铝覆盖层，可以提高Ag原子扩散势垒，从而获得理想的热稳定性。.构筑出了Ag-Al2O3太阳光谱选择性吸收涂层，其太阳光谱吸收率最高可达95.7%，400 °C红外发射率小于10%，其中高金属体积百分数Ag-Al2O3层内Ag的体积百分数为~40%，而低金属体积百分数Ag-Al2O3层内Ag的体积百分数为~15%。基于此，采用热稳定性好的AgAl-Al2O3金属陶瓷膜层替代Ag-Al2O3金属陶瓷膜层，同时采用AgAl合金红外反射层，成功获得了AgAl-Al2O3太阳光谱选择性吸收涂层。该选择性吸收涂层在500 °C下氮气中退火1002 h后，其太阳光谱吸收率稳定在95%左右，400 °C红外发射率约在10-11%，热稳定性远优于Ag-Al2O3太阳光谱选择性吸收涂层。