金屬納米粒子嵌入到陶瓷基體中組成(chéng)的金屬陶瓷薄膜是太陽光譜選擇性吸收塗層的核心工作層，其熱穩定性和綜合光學(xué)性能(néng)直接決定著(zhe)整個塗層的光熱轉換效率。高溫下，金屬陶瓷膜内金屬納米粒子的團聚、長(cháng)大、氧化及塗層内層間原子的擴散遷徙，往往會導緻成(chéng)分和微結構的變化，從而誘發(fā)塗層光學(xué)性能(néng)的衰減 (不可逆性)。如何解決上述問題，構建熱穩定性優異、熱發(fā)射率低且吸收率高的太陽光譜選擇性吸收塗層，是光熱技術應用所面(miàn)臨的重大材料基礎問題。
近年來，中科院甯波材料所功能(néng)薄膜與智構器件團隊聚焦新型金屬陶瓷基太陽光譜選擇性吸收塗層研發(fā)，以提升熱穩定性爲抓手，在新型耐高溫金屬陶瓷材料設計、光學(xué)模拟、塗層構築和熱穩定性強化機理研究等方面(miàn)開(kāi)展了一系列的工作。前期，利用金屬Al合金化Ag納米粒子，結合多靶共濺射的方法，獲得新型AgAl-Al2O3金屬陶瓷薄膜，耐熱溫度較Ag-Al2O3（350°C）提高至500°C，在非真空條件下經(jīng)高溫長(cháng)時間退火（~1000 h），光學(xué)性能(néng)非常穩定（ACS Applied Materials Interfaces 2014, 6, 11550; Applied Surface Science 2015, 331, 285）。以AgAl-Al2O3金屬陶瓷薄膜作爲吸收層，成(chéng)功構建了AgAl-Al2O3太陽光譜選擇性吸收塗層。在氮氣氣氛下經(jīng)500°C退火1002 h，其太陽光譜吸收率穩定在95%左右，400°C紅外發(fā)射率約在10-11%，如圖1所示（Advanced Materials Interfaces 2016, 3, 1600248）。
圖1. AgAl-Al2O3金屬陶瓷基太陽光譜選擇性吸收塗層熱穩定性強化機理示意圖和熱處理前後(hòu)反射光譜變化圖。
目前國(guó)内外研究人員積極開(kāi)發(fā)基于熔融鹽（如60% KNO3+40% NaNO3）熱工質的高溫太陽能(néng)熱發(fā)電系統，其工作溫度常在550°C以上，客觀上對(duì)太陽光譜選擇性吸收塗層提出了更爲苛刻的要求，如何獲得600°C下具備優異熱穩定性的太陽光譜選擇性吸收塗層是亟需攻克的難題之一。此外，伴随工作溫度的升高，如何抑制高溫下熱輻射損失顯得愈發(fā)重要。基于前期的研究基礎，研究組開(kāi)發(fā)出另一種(zhǒng)新型金屬陶瓷薄膜WTi-Al2O3。借助光學(xué)模拟設計，獲得太陽光譜選擇性吸收塗層結構參數的優化範圍，構建了WTi-Al2O3太陽光譜選擇性吸收塗層。經(jīng)600°C長(cháng)時間（840 h）退火，WTi-Al2O3塗層仍保持較高的吸收率~93%，500°C下的熱發(fā)射率僅有10.3%，遠低于文獻報道(dào)值（>13%@500°C）。研究表明，WTi合金納米粒子内金屬Ti的外擴散、偏析及部分氧化可有效抑制W納米粒子的團聚和長(cháng)大，從而提高塗層的熱穩定性，實現對(duì)WTi-Al2O3太陽光譜選擇性吸收塗層光學(xué)性能(néng)和熱穩定性的雙重調控（Nano Energy 2017, 37, 232），如圖2所示。
圖2. WTi-Al2O3金屬陶瓷基太陽光譜選擇性吸收塗層在600°C退火前後(hòu)反射光譜變化圖、微結構和熱強化機理示意圖
上述研究方法不同于傳統的靠引入難熔合金、高熔點金屬間化合物等思路，主要策略是借助熱處理條件下合金納米粒子自鈍化效應來提升太陽光譜選擇性吸收塗層的熱穩定性，該思路可拓展應用到其它合金納米粒子體系。以上工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金、江蘇省重點研究和發(fā)展計劃、浙江省重點實驗室和甯波市科技創新團隊等項目的資助。
(納米事(shì)業部 王小雨)
