基于Ni-TiC金属陶瓷选择性吸收涂层的研究开题报告

1. 课题研究的意义及背景

太阳能利用主要包括光伏、光热、光化学转化以及光生物转化等。其中太阳能光热利用是太阳能利用的一种重要方式，尤其是太阳能热发电相对于光伏发电，具有成本低、适合于大规模发电等优势，成为太阳能利用的重要发展方向。目前太阳能热发电主要包括槽式、碟式、塔式等几种方式。其中，碟式和塔式太阳能热发电尚处于中试和示范阶段，而槽式太阳能热发电系统发展相对成熟，已开始进人商业化运行阶段。

太阳能集热管是槽式太阳能热发电系统的核心部件，而集热管表面的高温涂层即太阳能选择性吸收薄膜是决定高温真空集热管效率及发电效率的关键技术，要求其在太阳光波长范围内一具有较高的吸收率，在红外热辐射波段一具有较高的反射率低发射率公同时具有良好的环境稳定性和机械性能^[1]。

太阳能选择性吸收涂层是太阳能集热系统中的关键部分^[2]，要求其实现最大限度的对入射太阳光进行吸收。国内研究和开发的太阳能选择性吸收涂层主要集中在中低温领域（如太阳热水器）。而太阳能的中高温热利用（如太阳能空调、太阳能热发电等）对涂层材料的要求更高，尤其是要保证涂层材料在较高温度下具有良好的光学特性、热力学稳定性和高机械强度。有关新体系金属陶瓷薄膜中高温太阳能选择性吸收涂层（如纳米金属陶瓷薄膜）成为人们近年来研究的热点。本文对太阳能选择性吸收薄膜的国内外发展现状进行了论述，重点介绍了当前发展的以金属氧化物陶瓷薄膜为基础的中高温太阳能选择性吸收薄膜。从选择性吸收薄膜的原理出发，就膜系结构、材料选择、微观结构对性能影响等方面进行了论述，对限制太阳能选择性吸收薄膜性能的主要因素进行了分析，并指出了今后发展的方向。

经过对文献调研发现，金属陶瓷光谱选择性吸收涂层传热性能的研究是一个全新的课题，目前尚鲜有文献报道。然而，关于其它领域的复合材料传热性能的研究依然可以对本课题的探索提供有益的启发。因此，本文从理论预测薄膜导热系数的方法、薄膜的制备方法以及测量导热系数的实验3个方面，简单介绍了太阳能光谱选择性吸收薄膜的研究。

2.金属陶瓷涂层的发展概况

金属陶瓷薄膜是将金属及陶瓷材料，按照一定的配比和组成方式，经特殊复合技术制成薄膜。既保持金属和陶瓷的大部分有用特性，又新增薄膜材料的一些特殊功能，是一类新型的功能性薄膜材料。金属陶瓷主要有两种类型，混合金属陶瓷薄膜和多亚层金属陶瓷薄膜。混合层金属陶瓷薄膜是利用共蒸发或共溅射的方法将金属与陶瓷按照一定比例混合，使金属颗粒散落在陶瓷基底内，包括均匀混合和渐变混合两种。多亚层金属陶瓷薄膜是交替沉积多层超薄金属和陶瓷薄膜每层厚度一般在5nm以内，以达到金属和陶瓷混合的效果，如图1所示。

图1 金属陶瓷类型

人们对基于金属陶瓷薄膜的太阳能选择性吸收涂层结构进行了大量模拟计算研究，文献[]针对金属陶瓷薄膜的层数进行了优化设计，设计结果如表1所示。

从表1可以看出，三层结构金属陶瓷薄膜的设计与两层结构相比，仅有0.1%的吸收增强，而红外发射率没有变化再继续增加膜层数，膜系性能不再随膜层数增加而提高。因此，从涂层结构的光学性能和工程制备难易程度综合考虑，包括红外反射层、减反射层在内的四层结构是最佳的设计组合，如图2所示，由红外反射层、高金属含量金属陶瓷层、低金属含量金属陶瓷层、减反射层组成。

选择性吸收涂层的基底材料一般为不锈钢管。红外反射层位于薄膜最底层（紧邻基底材料），要求具有较高的红外反射率（低的发射率），高温下具有较高的抗氧化和抗扩散能力，同时与基底材料具有良好的结合力。目前所用的材料主要包括Al、Cr、Cu、Au、Ni、Ti、Ag、Mo、W等。

图2 太阳能选择性吸收薄膜膜系结构

金属陶瓷层的主要作用是实现对太阳辐射波段的吸收(300-2100nm)，同时保证在红外辐射波段(2100-25000nm)具有较高的透过率，即对红外辐射不产生影响。金属陶瓷薄膜有两层，分别为高金属含量金属陶瓷层、低金属含量金属陶瓷层。

高温稳定性^[10]是制约太阳能选择性吸收涂层发展的关键。目前发展的所有涂层，400℃时在空气中都不能保持较好的稳定性。为获得400℃以上，在空气中具有高稳定性、高机械强度的选择性吸收涂层，金属陶瓷薄膜的工艺与理论研究是关键，需要在材料选择，材料的抗氧化、抗扩散，膜层的应力匹配，热导率以及热膨胀系数等方面开展研究工作。高熔点的IV、V、VI族金属及其二元和三元化合物成为高温可用金属陶瓷薄膜的首选材料^[12]。对于介质材料，如Ti、Zr、Hf等的硼化物、氮化物、碳化物、硅化物等，其中HfC具有最高的熔点3316℃，这些材料同时具有高的硬度，耐磨擦、耐腐蚀等特性。