CAIP制备AlCr基非真空高温太阳能选择性吸收涂层的研究.doc

PAGE i 中文摘要 太阳能选择性吸收涂层是太阳能热发电电站中太阳能集热器的关键材料。由于其长期处于恶劣自然环境下运行，研究开发自然环境中，尤其高温条件下涂层材料结构长期稳定，高吸收、低发射性能不变的新型太阳能选择性涂层是太阳能热发电系统材料中的难点之一。目前大多数选择性吸收材料均处于真空管环境，少数非真空状态使用的高温吸收涂层数据报道也较少，影响了太阳能选择性吸收涂层的实际应用。 本文从实际应用的角度出发，综合考虑诸多因素，选择多弧离子镀工艺(CAIP)制备可应用于非真空条件的AlCrO和AlCrNO高温太阳能选择性吸收涂层，对其选择吸收性能、大气环境中抗高温（500℃）氧化性能和抗热震（600℃）性能以及耐腐蚀性能进行了研究，并对表面粗糙度对涂层发射比的影响进行了分析，提出并探讨了涂层表面峰反射关系与涂层发射比之间关系的问题。其中，太阳能选择性吸收涂层的热震性能和耐腐蚀性能属首次报道。 本文在涂层厚度设计方面进行了改变。传统的太阳能选择性吸收涂层厚度设计方法在设计精度方面具有较大优势，但是对于实际应用而言则很复杂。而多弧离子镀涂层很强的扩散倾向限制了这种方法的应用。本文利用等效媒质理论，采用计算500nm最小反射率的方法，设计太阳能选择性吸收涂层厚度。制备的AlCrO太阳能选择性吸收涂层吸收比为0.93，发射比为0.21；制备的AlCrNO太阳能选择性吸收涂层吸收比为0.94，发射比为0.22。 为测试涂层在非真空环境中的性能，分别对AlCrO和AlCrNO涂层进行了大气环境中100h的500℃氧化实验、100次600℃热震实验、24h酸碱腐蚀实验（pH=4.0的硫酸溶液及pH=9.5的碳酸钠溶液）和100h中性盐雾腐蚀实验，样品吸收比、发射比仅在0.02的范围内变化，说明本论文制备的AlCrO和AlCrNO涂层具有很好的环境稳定性。经过对样品微观形貌分析、元素成分分析、相结构分析、表面粗糙度分析，证明涂层本身致密、耐腐蚀以及多弧离子镀造成涂层内成分扩散，加强了涂层和基体之间的结合都是涂层环境稳定性好的原因。 本文对AlCrO和AlCrNO涂层进行了一组氧化、热震、酸碱腐蚀和盐雾腐蚀综合测试，证明两组材料选择吸收性能的稳定性，其中AlCrO涂层实验后吸收比为0.93，发射比为0.26；AlCrNO涂层实验后吸收比为0.94，发射比为0.26。但是通过对综合测试后样品表面形貌的研究，证明AlCrO涂层的性能优于AlCrNO涂层。 由于传统的用表面粗糙度解释太阳能选择性吸收涂层发射比变化的方法遇到困难，本文引入了用涂层表面峰之间反射关系解释涂层发射比变化的方法。这种方法从涂层发射比的计算原理和光反射原理出发，合理解释了发射比异常变化。 关键词：选择性吸收涂层，非真空环境，环境稳定性，表面粗糙度，发射比  Abstract The solar selective absorber coating, which is the core material of the solar selector in the solar thermal power plant, long-term works in poor natural environment, and it is a difficulty of materials in solar thermal power plant to produce novel solar selective absorber coating of which the structure and the high absorptance and the low emittance are maintained in natural environment, especially under high temperature. In view of the demand of application, on account of many factors, the high temperature solar selective absorber coatings of AlCrO and AlCrNO, which are able to utilize in non-vacuum circumstances, were producted by cathodic arc ion plating (CAIP) in this paper. The properties of the coatings, such as selective absorbability, the resistance of high-temperature(500℃) oxidation and thermal