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摘 要

本文在全面了解了选择性吸收涂层的基本类型、制备方法，以及目前人们对金属陶瓷太阳光谱选择性吸收薄膜的研究成果和中高温太阳能选择吸收涂层的展望的基础上开展了太阳能选择性吸收涂层的光学性能研究。实验中 采用喷涂法来研究太阳能选择性吸收涂层制备的可行性，为进一步研究太阳能选择性吸收涂层的光学性能做准备。其次本文介绍了有关太阳光谱的吸收及发射原理,包括基尔霍夫定律、玻尔兹曼定律以及吸收率、发射率计算原理及公式;在此基础上,对不同粉末结构、不同表面状态、不同金属含量、含红外反射底层的金属陶瓷涂层进行了探讨。然后，在研究涂层的光学性能时，本文采用紫外一可见一近红外分光光度计和红外光谱仪分别对吸收率、反射率进行了测定,并对其结果进行了研究。结果表明:粉末的原始尺寸、涂层表面状态、金属含量都会影响涂层的吸收率及反射率,而高红外反射底层对其无明显影响。

关键词:太阳能 选择性吸收涂层 吸收率 发射率

Abstract

In this paper, the basic types and preparation methods of selective absorption coatings are thoroughly understood.,And one of the people based on the metal ceramic solar spectrum selective absorption film research and mid high temperature solar selective absorption coating outlook are carrying out the solar selective absorption coating optical properties of. We use the spray method to study the feasibility of the preparation of solar selective absorption coating,and It is also prepared for the study of the optical properties of the solar selective absorption coating.Secondly, we introduce the absorption and emission principle of the solar spectrum,Including Kirchhoff law, Boltzmann's law and absorption rate, emissivity calculation principle and formula;Based on this, the metal ceramic coating with different powder structure, different surface state, different metal content and infrared reflection bottom layer is discussed.Then, a near-infrared spectrophotometer and infrared spectrometer were used to determine the absorption rate and reflectance, and the results were studied.The results show that the original size of the powder, the surface state of the coating, the metal content affect the absorption rate and the reflectivity of the coating, while the high infrared reflectance has no obvious effect on the coating.

Keywords: solar selective absorption coating absorption emissivity

目录

摘要 1

Abstract 2

第一章绪论 4

1.1 课题背景 4

1.2 选择性吸收涂层的基本类型 4

1.2.1 半导体涂层 4

1.2 .2 多孔涂层 5

1.2.3 光干涉涂层 5

1.3 太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法 7

1.3.1 物理气相沉积法 7

1.3.2 电化学法 8

1.3.3 化学气相沉积法 8

1.3.4 涂料涂覆法 9

1.3.5 溶胶一凝胶法 9

1.4 金属陶瓷太阳光谱选择性吸收薄膜的研究 9

1.5 中高温太阳能选择吸收涂层的展望 10

第2章 实验 12

2.1实验材料及仪器 12

2.1.4 101A-1E电热鼓风干燥箱（图6） 16

2.2 实验内容 19

2.3实验步骤 20

第3章 太阳能选择性吸收涂层的光学性能研究 22

3.1 太阳光谱发射率和吸收率的测定 22

3.1.1 测定原理 22

3.1.2 吸收、反射和透射的原理 23

3.1.3 太阳光谱吸收率测定原理 24

3.1.4 太阳光谱发射率测定原理 27

3.2 表征仪器 28

3.2.1 赛默飞世尔Nicolet IS-10傅里叶变换红外光谱仪（图3-3） 28

3.2.2 紫外-可见分光光度计（图3-5） 30

3.3 实验数据整理与分析 33

3.3.1 涂层光学性能的测量 33

3.3.3 吸收率及辐射率的计算 38

第四章 结论与展望 40

4.1本文结论 40

4.2 展望 40

参考文献 41

第一章绪论

1.1 课题背景

金属陶瓷 ，是一种由金属或合金同一种或几种陶瓷相所组成的非均质的复合材料 ，其中后者约占1 5 %～ 85 % (体积 ) ,同时在制备的温度下 ,金属和陶瓷相之间的溶解度相当小^[1]。它既保持有陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性 。

太阳能选择吸收涂层是一种特殊的表面，在0．3～2．5μm太阳光谱范围内具有尽可能高的太阳吸收能力，同时在3～25μm红外波长范围内有尽可能低的热辐射能力。在太阳能热利用中，它能把太阳能富集起来，提高太阳能光热转换效率。近年来，太阳能的中高温利用日益成为人们关注的焦点。本文系统介绍了选择性吸收涂层的吸收机制、制备工艺，同时对国内外选择吸收涂层的现状做了综述。最近，对金属复合氧化物选择吸收涂层的研究有了新的进展，这类涂层在非真空、高温条件下具有较好的光学性能，且热稳定性好，有望进一步推动中高温太阳能吸收涂层的发展^[2]。

1.2 选择性吸收涂层的基本类型

根据吸收太阳光的原理不同,选择性吸收涂层可分为半导体涂层、多孔涂层和光干涉涂层。

1.2.1 半导体涂层

半导体材料所特有的电子结构,使其适合作为吸收涂层。在半导体材料中存在禁带宽度Eg，它只能吸收能量大于Eg的波长，所以存在一个截止波长Kc[Kc(Lm)=1. 24 /Eg(eV) ]，只有波长Klt;Kc的可见、紫外光,才能使半导体中电子发生跃迁进入导带,引起电子与晶格中质点碰撞，将光能转化为热能;而对于波长Kgt;Kc的红外光因为能量低不被吸收而透过膜层。利用金属基体的高反射特性反射出来，从而构成了半导体膜的光谱选择性吸收^[3]。

1.2 .2 多孔涂层

通过控制多孔涂层的表面形貌和结构,使表面不连续的空隙尺寸与可见光谱峰值相当,从而对可见光起到陷阱作用,大大提高了对太阳能的吸收率。通过化学腐蚀形成具有林曼状结构的Cu-CuO涂层,钨的化学蒸镀涂层及粗糙表面上的黑铬镀层等都利用了这一性质^[4]。

1.2.3 光干涉涂层

金属陶瓷涂层是近年来新开发的干涉涂层之一,它将金属粒子掺入氧化物或氮化物等电介质基体中,改变其介质基体的光学常数,并通过控制膜层的厚度使其对可见光产生干涉相消。金属陶瓷结构如图1所示。从图中可以看出,这类涂层主要由三部分组成,金属红外反射层,通常选择高反射率的铜、铝等金属基体;金属-电介质吸收层,这一部分有两层组成,高体积分数吸收层和低体积分数吸收层。金属微粒弥散分布于电介质中,金属微粒的含量、颗粒大小及分布状态决定了薄膜的光吸收性能;介质减反射层,主要是消光系数很小的电介质,如Al₂O₃, SiO₂等。吸收层有双层或多层,利用光的干涉效应,在增加吸收率的前提下,发射率基本不变。光干涉涂层主要利用了光的干涉原理,由干涉和吸收效应共同作用,实现了对太阳能热的有效吸收。光干涉涂层通常有多层结构组成,通过控制每层的光学常数和一定的厚度,使其对可见光谱区产生干涉相消,在可见-近红外波段形成2个反射率极小点^[5],如图2所示,这两个反射率极小值导在可见-近红外波段高吸收率

1.3 太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法

1.3.1 物理气相沉积法

真空蒸发镀膜与溅射沉积镀膜都属于物理气相沉积法制备薄膜,它们均为制备薄膜的基本方法,而且它们沉积薄膜的空间都要求有一定的真空度

(l)真空蒸发镀膜

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