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HVOF喷涂SS/Co-Cr3C2/Al2O3太阳能选择性吸收涂层的性能研究开题报告

 2020-02-10 10:02  

1. 研究目的与意义(文献综述)

由于当前地球人口增长以及经济发展,常规的石油、天然气、煤炭等不可再生的化石能源逐渐短缺,价格快速增长,以及当前全球气候变暖、环境恶化的压力,人类逐渐将可再生能源的开发、利用作为解决上述生存困境的主要手段。[1]太阳能作为一种取之不尽的清洁能源成为人类开发的重要绿色能源之一。太阳能的转化与应用主要分为:光电、光热、光化学(光催化)、光生物能4 种形式。太阳能光电转换,即光伏发电技术,是利用半导体材料的光生电子效应直接把太阳光能转变为电能的发电方式。[2]且光伏发电系统工作稳定可靠。然而此系统通过复杂的半导体协同作用,复杂的工艺增加了成本,某些性能较好的半导体材料要经过多道化学和物理工序处理,不仅消耗大量能源还会造成环境污染,譬如单/多晶硅材料,致命的是太阳能电池的能量转换效率低(目前晶体硅光伏电池转换效率为 13 %~17 %,非晶硅光伏电池只有 5 %~8 %), 总体来说市场上太阳能电池的光电转化率一般不会超过 25 %。而与光电转化相比,光热转化组件不仅简约,成本低廉,主要是其利用太阳光谱区间在紫外-近红外,几乎囊括了太阳光所有能量,光热转化率可以达到 90 %以上,因此被广泛应用于商业上。[3][4][5]

太阳能选择性吸收涂层对可见光的吸收率很高,而自身的红外辐射率却很低,能够把能量密度较低的太阳能转换成高能量密度的热能,对太阳能起到富集的作用。因此,制备高效的太阳能选择性吸收涂层是太阳能热利用中的关键技术, 对提高集热器效率至关重要。[6]过渡金属的氮化物或氮氧化物拥有比较理想的禁带宽度,因此,已成为研发高吸收比低发射比的太阳光热薄膜的热点材料。作为过渡金属的铬,铬及其氮氧化物可作良好的太阳能光热薄材料。[7] 随着材料科学和制备技术的发展,涂层工作温度不断提高,以mo-sio2, al-aln ,al-al2o3为代表的金属 - 陶瓷高温选择性吸收涂层相继涌现。对选择性吸收涂层设计的优化和制备工艺的提高具有巨大的推动作用和促进意义。[8]根据吸收原理的不同,选择性吸收涂层可分为半导体涂层、光干涉涂层、金属陶瓷涂层和表面织构涂层。目前,选择性吸收涂层的制备方法主要有涂漆法、溶胶凝胶法、电化学沉积法、化学气相沉积法和物理气相沉积法等。[9]溶胶凝胶法由于具有组分均匀、成分易控制、对基体形状要求低、成本低、操作简单等优点,因而是一种极具希望和潜力的吸收涂层制备方法。[10]当前现存的太阳能选择性吸收涂层制备要求较高,所需成本也较高无法大面积生产;其次,于涂层长期工作于高温环境,涂层材料容易发生反应,涂层的热稳定性较差。为了能够实现涂层的大面积生产和制备具有相对较高选择性和热稳定性的涂层,本课题采用超音速火焰喷涂法,在不锈钢基底上喷涂15-20μm厚的co-cr3c2涂层,并通过溶胶-凝胶方法在喷涂涂层表面制备一层al2o3减反膜来进一步提升其选择性和高温稳定性。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备:采用喷雾干燥法法制备Co-Cr3C2团聚粉末;采用HVOF在不锈钢基底上制备Co-Cr3C2吸收层;采用溶胶-凝胶法制备氧化铝减反膜

材料表征:对所制备的HVOF喷涂SS/Co-Cr3C2/Al2O3太阳能选择性吸收涂层进行结构表征(SEM、XRD、EDS)和涂层光谱吸收率及热发射率的测试与分析。

2.2 研究目标

1、掌握喷雾干燥法制备团聚粉末,HVOF制备涂层以及溶胶-凝胶法制备薄膜的方法;

2、掌握涂层结构和性能的表征方法;

3、总结选题对社会、健康、安全、成本以及环境等的影响,分析实验数据。

2.3 技术方案


采用超音速火焰喷涂制备Co-Cr3C2基吸收涂层覆盖于不锈钢上,并采用溶胶凝胶法在吸收层表面制备Al2O3减反层,其涂层结构如下图所示;

1、采用XRD对焙烧前后的粉末以及涂层物相进行检测,表征涂层物质的成分及晶体结构和内部缺陷;

2、采用SEM、EDS分析粉末与涂层的形貌和元素成分,对涂层的表面和断面形貌进行观察,表征涂层的厚度以及制备质量;

3、采用TG-DSC对复合团聚粉末气氛保护下高温过程中粉末质量的变化进行表征,来制定焙烧温度;

4、采用日本岛津UV-3600型UV-VIS-NIR分光光度计测量太阳光短波段(0.3~2.5μm)的光谱反射率,计算涂层的吸收率;采用德国Tensor27型傅立叶变换红外光谱仪进行测试红外长波段(2.5~25μm)的光谱反射率,计算涂层的发射率;以达到对涂层光学选择性的定量表征;

5、涂层热稳定性检测;将制备好的复合涂层,在马弗炉内保温600℃一段时间,定期检测涂层的吸收率和发射率,探究涂层高温稳定性衰减状况。

喷涂涂层组分设计配比

喷雾团聚造粒

粉末高温气氛保护焙烧

HVOF制备Co-Cr3C2涂层

溶胶凝胶制备Al2O3减反层

复合涂层吸收率、发射率测试

复合涂层表面形貌SEM检测

复合涂层热稳定性检测

涂层吸收率、发射率测试

涂层XRD分析

涂层表面粗糙度检测

涂层表面、断面形貌SEM检测

3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。明确研究内容,了解研究所需的原料、仪器和设备。确定技术方案,并完成开题报告。

第4-6周:按照设计方案,制备ss/co-cr3c2/al2o3涂层。

第7-10周:完成涂层结构表征(sem、xrd、eds)和涂层光谱吸收率及热发射率的测试与分析。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] 郝华丽.太阳能热利用技术概述[j].10.1930.

[2] 王聪,代蓓蓓,于佳玉,王蕾,孙莹. 太阳能光电、光热转换材料的研究现状与进展[a]. (2017)11–1555–14.

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