高性能SS-AlN金属陶瓷真空太阳集热管的制备

　　采用真空磁控溅射沉积SS-AlN金属陶瓷太阳选择性吸收涂层。涂层光学功能层的制备,先采用铜靶溅射Cu红外反射层;再采用不锈钢(SS)和铝两金属靶在Ar和N2的混合气体中同时溅射沉积SS-AlN金属陶瓷吸收层;最后采用Al靶在Ar和N2中反应溅射沉积AlN减反射层。金属陶瓷吸收层由高、低SS体积份额的两吸收子层组成。优化溅射真空镀膜工艺参数获得高性能吸收涂层,太阳吸收比α(AM1.5)高达0.956±0.003(国标GB:α≥0.86),比GB高10%;红外发射比ε仅为0.043±0.003(GB:ε≤0.08)。制备成φ58×2100 mm全玻璃真空太阳集热管,80℃平均热损系数ULT仅为0.47±0.01 W/m2℃(GB:ULT≤0.85 W/m2℃),比GB低0.38 W/m2℃,性能提高45%。制备的真空集热管具有良好的真空品质,集热管内管加热350℃恒温480 h后,吸气镜面轴向长度平均消失率仅为2~3%,集热管真空品质优于GB高达100倍以上(GB:350℃恒温48 h,镜面消失率≤50%)。

　　全玻璃真空集热管是太阳能热水器核心部件，其性能好坏影响整机的集热性能。集热管性能的优劣主要取决于其内管外表面太阳选择性吸收涂层的性能，及其内外玻璃管夹层中的真空度。1955 年以色列Tabor、美国Gier 和Dunkle 几乎同时分别提出了采用金属陶瓷材料吸收太阳辐射。早期平板热水器采用电化学方法制备Cr- Cr2O3 和Ni- Al2O3 吸收涂层。1970 年代悉尼大学物理学院采用磁控溅射技术沉积太阳选择性吸收涂层，并研制了不锈钢- 碳(SS- C)和Al- AlN全玻璃真空集热管[1,2]，其吸收层分别采用SS 靶在Ar 和C2H2 混合气体中沉积SS- C 金属陶瓷吸收层，和采用Al 靶在Ar 和N2 中沉积Al- AlN 金属陶瓷吸收层。

　　1995 年悉尼大学章其初等人采用两支金属靶在溅射气体和反应气体中，同时溅射沉积金属陶瓷吸收层，一支金属靶非反应溅射沉积金属组分，另一支金属靶反应溅射沉积陶瓷组分[3]。该项原创新的研究成果2002 年在中国批准了发明专利[4]。1995 年起采用章其初以上的发明专利技术，中国开发并大规模生产SS- AlN 金属陶瓷全玻璃真空太阳集热管，并在产业化进程中取得了集热管生产的关键工艺、技术、装备等一系列成果[5]。本工作作为其研发成果之一，较为详细地介绍真空磁控溅射沉积SS- AlN 金属陶瓷吸收涂层，并制备了高性能SS- AlN 真空太阳集热管。

实验

　　沉积SS-AlN 吸收涂层在真空磁控溅射三靶镀膜机真空设备上进行，型号HM3B850M。圆柱镀膜真空室高2880 mm，内径850 mm。溅射真空室横截面结构示意图如图1 所示。镀膜室中装有3 个定向溅射圆柱靶，Al、SS、Cu。靶管旋转1 r/min，靶芯固定，靶表面溅射朝向玻璃管。靶外径70 mm，靶放电区长2600 mm。靶纯度Al 靶和Cu 靶均为99.9%，SS靶为1Cr18Ni9Ti。镀膜室装有2 路进气系统，分别通入溅射气体Ar 和反应气体N2，Ar 和N2 纯度均为99.99%。气体Ar 和N2 的输入采用北京七星华创公司生产的D07- 18 型质量流量计，量程300 sccm。在镀膜室中装载直径47 mm，长2100 mm 的高硼硅玻璃管32 支，镀膜时玻璃管围绕靶做公转加自转的行星运动。试验用载片装在1 支玻璃管上。镀膜机配置2 台直流电源，1 台给Al 靶溅射供电，另1 台先后给Cu 靶和SS 靶溅射供电。电源最大输出电压和电流为DC600 V/50 A，恒流输出工作模式。镀膜机配置单片机控制系统，实现真空室抽真空和镀膜工艺的全自动运行。

图1 溅射真空室横截面结构示意图

　　镀膜机抽真空系统主要由扩散泵和机械泵组成。待真空室的真空度好于5.0×10- 3 Pa 后，按预设的镀膜工艺逐层沉积复合膜涂层。首先，Cu 靶在溅射气体Ar 中运行，溅射沉积一定厚度Cu 红外反射层。其次，金属Al 靶和SS 靶在溅射气体Ar 和反应气体N2 的混合气中同时运行。玻璃管公转运动到Al 靶附近时，反应溅射沉积AlN 陶瓷子层，运动到SS 靶附近时，沉积SS 金属子层，玻璃管上交替沉积AlN 子层和SS 子层组成的复合涂层，由于每个子层很薄，约2 nm，宏观上可看作是一层SS 和AlN 组成的金属陶瓷吸收层。通过改变SS 靶溅射电流，沉积不同SS 体积份额的金属陶瓷吸收层。本试验先采用较高的SS 溅射电流，沉积高SS 体积份额的金属陶瓷吸收层HA，再采用较低的SS 溅射电流，沉积低SS 体积份额的金属陶瓷吸收层LA。最后Al 靶在溅射气体Ar 和反应气体N2 的混合气中，反应溅射沉积AlN 陶瓷表面减反射层。试验过程中优化两金属陶瓷吸收层的厚度和SS 金属体积份额，以及减反射层厚度。除以上光学功能层外，还在玻璃衬底和铜红外反射层之间沉积粘结层；在铜红外反射层和高金属体积份额的金属陶瓷吸收层之间沉积很薄的阻挡层。这两层对复合涂层的太阳吸收比和红外发射比性能的贡献可忽略不计。

　　本试验在真空磁控溅射三靶镀膜机上优化镀膜工艺，获得高性能的SS- AlN 金属陶瓷太阳选择性吸收涂层，制备高性能真空集热管。连续运行40 炉，共生产1280 支。随机抽样测量得到集热管涂层太阳吸收比α 高达0.956±0.003 (国标GB: α≥0.86)，比GB 高10%多；红外发射比ε仅为0.043±0.003(GB:ε≤0.08)。随机抽样测试得到集热管的热学性能如下。80℃平均热损系数ULT 仅为0.47 W/m2℃(GB: ULT≤0.85 W/m2℃)，比GB 低0.38 W/m2℃，性能提高了45%；空晒性能参数Y 高达305 m2℃/kW(GB: Y≥190 m2℃/kW)，比GB 高115 m2℃/kW，性能提高60%；闷晒辐照量H 仅为4.0 MJ/m2(GB:H≤4.7 MJ/m2)，比GB 低0.7 MJ/m2，性能提高15%。真空集热管加热350℃烘烤480 h，吸气镜面轴向长度的平均消失率仅为2%~3%，集热管真空品质性能远优于GB，高达100 倍以上（GB规定350℃烘烤48 h，镜面消失率小于50%）。