TiN/TiSiN/SiN太阳能选择性吸收光热涂层的研究

【摘要】：为了满足可持续发展的需求,人们开始利用清洁能源替代化石能源。太阳能作为清洁能源的代表,越来越受到重视。太阳能集热器是太阳能利用中应用最广泛、发展最迅速的领域之一。平板型集热器在我国相对较少,但其可以与建筑很好的结合,因此是太阳能热水器未来发展的趋势。太阳能选择性吸收涂层对集热器的光热转换至关重要,直接关系到集热器的品质。太阳能光谱选择性吸收光热涂层需要具备高的吸收率和低的发射率才能尽可能多地将低能量密度的太阳辐射能转化为高能量密度的热能。在我国现有太阳能光热涂层生产条件下,研制无氧气添加的新型光热涂层有利于提高产品性能和降低生产成本。因此,如何制备适用于平板太阳能集热器且有高的吸收率、低的发射率、耐温性能优异的无氧型光热涂层是本课题关键问题所在。基于以上背景,采用直流反应磁控溅射技术在不锈钢上制备包含Cu和不包含Cu层的TiN/TiSiN/SiN太阳能选择性吸收光热涂层。在这个体系中,SS/Cu与SS, TiN, TiSiN和SiN分别作为金属反射层、高吸收层、低吸收层和减反层。在优化条件下,制备了平均吸收率为0.95和平均半球发射率为0.04的含有Cu层的光热涂层,其太阳能的品质因子为23.8。直接沉积在不锈钢上的TiN/TiSiN/SiN光热涂层(不含铜层)的吸收率可达0.95,发射率和品质因子虽不如Cu/TiN/TiSiN/SiN,但也可以分别达到0.10和9.5,完全满足实际应用的需求。XRD分析表明Cu层为多晶结构,TiN、TiSiN和SiN层为非晶结构。采用X射线光电子能谱(XPS)分析TiN/TiSiN/SiN光热涂层每层的化学键合状态。将光热涂层在真空中加热到700℃,光热涂层的光热性能没有大的变化,并且采用拉曼光谱和原子力显微镜图像来研究SS/TiN/TiSiN/SiN光热涂层体系的热稳定性。此外,根据PC准则,经过空气中150和300小时长时间热处理,证明TiN/TiSiN/SiN光热涂层具有很好的热稳定性。 【关键词】：太阳能选择性吸收光热涂层 (Ti si)N TiN/TiSiN/SiN 光学特性 热稳定性
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK513.1;TQ637
【目录】：

• 摘要9-10
• ABSTRACT10-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 研究背景12-14
• 1.2 太阳能选择性吸收光热涂层的基本概念14-15
• 1.3 太阳能选择性吸收光热涂层的分类及原理15-17
• 1.4 太阳能选择性吸收光热涂层的制备方法17-18
• 1.5 太阳能选择性吸收光热涂层研究现状18-20
• 1.6 无氧添加型太阳能选择性吸收光热涂层20
• 1.7 主要研究内容及研究目标20-22
• 第二章 光热涂层的制备和结构性能表征22-34
• 2.1 实验研究路线流程图22-23
• 2.2 磁控溅射技术23-25
• 2.3 实验与测试设备25-30
• 2.3.1 吸收率测试26-27
• 2.3.2 发射率测试27
• 2.3.3 涂层厚度测试27-28
• 2.3.4 X射线衍射测试28
• 2.3.5 拉曼光谱分析28
• 2.3.6 X射线光电子能谱(XPS)分析28-29
• 2.3.7 涂层表面形貌分析29-30
• 2.4 实验材料30
• 2.5 基片的选择与处理30-31
• 2.5.1 基片的选择30-31
• 2.5.2 基片的清洗31
• 2.6 材料体系的设计31-32
• 2.7 涂层成分的选择32-34
• 第三章 光热涂层的工艺参数优化34-46
• 3.1 铜层的优化设计34-37
• 3.1.1 铜层镀膜温度的优化34-35
• 3.1.2 铜层镀膜时间的优化35-36
• 3.1.3 铜层镀膜电流的优化36-37
• 3.2 TiN/TiSiN/SiN层厚度的优化37-41
• 3.2.1 TiN层镀膜时间的优化38-39
• 3.2.2 TiSiN层镀膜时间的优化39-40
• 3.2.3 SiN层镀膜时间的优化40-41
• 3.3 TiSiN层成分比例的调控41-43
• 3.3.1 TiSiN层中Ti靶电流的调控41-42
• 3.3.2 TiSiN层中Si靶电流的调控42-43
• 3.4 实验样品稳定性的验证43-44
• 3.5 本章小结44-46
• 第四章 光热涂层的分析测试46-58
• 4.1 Cu/TiN/TiSiN/SiN太阳能选择性吸收光热涂层分层叠加性能分析46-48
• 4.2 光热涂层厚度的测量48-49
• 4.3 光热涂层晶型的测试49
• 4.4 光热涂层键合类型的测试49-52
• 4.5 光热涂层热稳定性的测试52-56
• 4.5.1 真空中耐温测试52-53
• 4.5.2 空气中耐温测试53-54
• 4.5.3 拉曼光谱测试54-55
• 4.5.4 原子力显微镜测试55-56
• 4.6 本章小结56-58
• 第五章 结论与展望58-60
• 5.1 结论58
• 5.2 展望58-59
• 5.3 创新点59-60
• 参考文献60-66
• 致谢66-68
• 附录Ⅰ：攻读硕士期间论文专利和取得的其他成果68-70
• 附件70

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