新型中高温太阳能选择性吸收涂层的制备与研究

【摘要】：自20世纪50年代以来,太阳光谱选择性吸收涂层的研制一直是太阳能光热利用技术领域中一项十分活跃的研究课题,国内外众多学者在涂层的材料选择、结构设计及制备工艺方面做出了大量的工作,一系列的涂层体系已被研制出来。然而,这些涂层都存在各自的不足之处,难以实现中高温条件下的工业实际应用。因此,需要综合考虑各方面的因素,寻求一种新的工艺与新的材料体系,研制一种中高温性能稳定,能够大面积工业化生产,制备成本较低的新型光谱选择性吸收涂层,以促进我国太阳能光热技术的发展。 本文采用等离子喷涂(APS)工艺制备了Ni-NiO-Al2O3金属陶瓷型选择性吸收涂层,采用超音速火焰喷涂(HVOF)工艺制备了Ni-Mo金属型选择性吸收涂层,并以溶胶-凝胶薄膜技术为辅助方法,制备得到SnO2/Ni-NiO-Al2O3、Al2O3/Ni-Mo复合涂层。应用XRD、SEM、EDS、分光光度计、红外光谱仪等测试手段对涂层和复合粉末的组成、结构、形貌及性能进行了表征与分析,主要研究了涂层的表面形貌、组分比例、表面处理及热处理对其光谱选择性吸收性能的影响。 研究结果表明,Ni-NiO-Al2O3涂层呈变形颗粒堆叠的多孔层状结构,其表面为粗糙不平的漫反射型表面。涂层厚度对其光学性能影响较小；随所用复合粉末中金属Ni含量增加,制备的涂层的d与ε均逐渐降低,品质因子α/ε逐渐增大,当粉末中Ni的质量分数为60%时,相应涂层的选择性吸收性能最佳,α为0.85,ε为0.68,α/ε1.25。表面处理对Ni-NiO-Al2O3涂层光学性能影响较大,涂层经抛光处理后,α与ε均减小,但α/ε得到提高；镀膜处理后得到的SnO2/Ni-NiO-Al2O3复合涂层,其光学性能较未镀膜前得到明显改善,α增至0.86,ε大幅降至0.50,但由于涂层表面较大孔洞所形成的光学陷阱,使ε难以进一步降低。耐热性能测试结果表明,Ni-NiO-Al2O3涂层与复合涂层在300以下均具有较高的热稳定性,经500℃处理后复合涂层的耐热性能更好。 Ni-Mo金属型涂层主要由Ni, Mo及NiO三相组成,其表面为颗粒与微孔组成的微不平漫射表面,具有较好的光谱选择性吸收作用。在实验所涉及的工艺条件下,随涂层中Mo含量增加,α呈递减的趋势,而ε则先减小后增大,涂层颜色由深逐渐变浅。当所用复合粉末粒径r45μm,粉末中MNi:MMo为7：3时,制备的涂层光谱选择性较好,α为0.85,ε为0.24,α/ε达到3.54。涂层表面处理结果表明,随研磨程度的加深,涂层的表面粗糙度Ra逐渐减小,α与ε都逐渐减小,当对涂层研磨处理至其Ra为2.156μm时,其选择性吸收性能较佳,α=0.84,ε=0.16,α/ε达5.25；再在表面加镀A1203减反膜层后,其α可达0.92,大幅提高了太阳光利用率,同时具有较好的热稳定性与抗热冲击性能。 【关键词】：太阳能 光谱选择性吸收 等离子喷涂 超音速火焰喷涂 徐层
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TG174.4;TK51
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 太阳光谱选择性吸收涂层的理论基础12-16
• 1.2.1 电磁辐射12-14
• 1.2.1.1 热辐射12-13
• 1.2.1.2 太阳辐射13-14
• 1.2.2 太阳能选择性吸收表面14-16
• 1.3 太阳光谱选择性吸收涂层的类型及其制备方法16-21
• 1.3.1 基本类型16-18
• 1.3.1.1 半导体涂层16
• 1.3.1.2 多层干涉滤波涂层16-17
• 1.3.1.3 微不平表面型涂层17
• 1.3.1.4 金属-陶瓷涂层17-18
• 1.3.1.5 反射/吸收型涂层18
• 1.3.2 制备方法18-21
• 1.3.2.1 物理气相沉积法18-19
• 1.3.2.2 电化学法19-20
• 1.3.2.3 化学气相沉积法20
• 1.3.2.4 涂料涂覆法20-21
• 1.3.2.5 溶胶-凝胶法21
• 1.4 本文的研究目的及内容21-23
• 1.4.1 研究目的21
• 1.4.2 研究内容21-23
• 第2章 Ni-NiO-Al_2O_3金属陶瓷型选择性吸收涂层的制备与研究23-43
• 2.1 材料的选择及结构设计23-24
• 2.2 实验原料与设备24-26
• 2.2.1 实验原料24-25
• 2.2.2 实验设备25-26
• 2.3 实验部分26-31
• 2.3.1 复合粉末的制备26-28
• 2.3.2 基片及其处理28
• 2.3.3 Ni-NiO-Al_2O_3涂层的制备28-29
• 2.3.4 SnO_2薄膜的制备29
• 2.3.5 样品结构与性能的表征29-31
• 2.4 实验结果与分析31-41
• 2.4.1 复合粉末的性能测试与分析31-33
• 2.4.1.1 复合粉末的形貌31-32
• 2.4.1.2 复合粉末的流动性和松装密度32
• 2.4.1.3 复合粉末的差热-热重分析32-33
• 2.4.2 涂层的结构表征与性能分析33-41
• 2.4.2.1 涂层的XRD分析33-34
• 2.4.2.2 涂层的能谱分析34-35
• 2.4.2.3 涂层的形貌分析35-37
• 2.4.2.4 涂层厚度对其光学性能的影响37
• 2.4.2.5 不同Ni含量对涂层光学性能的影响37-38
• 2.4.2.6 表面处理对涂层光学性能的影响38-40
• 2.4.2.7 涂层的耐热性能40-41
• 2.5 本章小结41-43
• 第3章 Ni-Mo金属型选择性吸收涂层的制备与研究43-65
• 3.1 材料的选择及结构设计43-46
• 3.2 实验原料与设备46-49
• 3.2.1 实验原料46-47
• 3.2.2 实验设备47-49
• 3.3 实验部分49-51
• 3.3.1 复合粉末的制备49
• 3.3.2 涂层的制备49-50
• 3.3.3 Al_2O_3薄膜的制备50
• 3.3.4 样品结构与性能的表征50-51
• 3.4 实验结果与分析51-63
• 3.4.1 复合粉末的形貌分析51-52
• 3.4.2 复合粉末的流动性52-53
• 3.4.3 复合粉末的TG-DSC分析53-54
• 3.4.4 复合粉末的XRD分析54
• 3.4.5 复合粉末粒径对涂层选择性吸收性能的影响54-55
• 3.4.6 M_(Ni)/M_(Mo)对涂层选择性吸收性能的影响55-57
• 3.4.7 涂层的形貌及元素含量分析57-59
• 3.4.8 表面研磨处理对涂层选择性吸收性能的影响59-61
• 3.4.9 减反层对涂层选择性吸收性能的影响61-62
• 3.4.10 涂层的耐热性能62-63
• 3.5 本章小结63-65
• 第4章 结论65-67
• 参考文献67-72
• 致谢72-73
• 攻读硕士学位期间发表的论文73

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