采用真空磁控濺射沉積SS-AlN金屬陶瓷太陽選擇性吸收涂層。涂層光學功能層的制備,先采用銅靶濺射Cu紅外反射層;再采用不銹鋼(SS)和鋁兩金屬靶在Ar和N2的混合氣體中同時濺射沉積SS-AlN金屬陶瓷吸收層;最后采用Al靶在Ar和N2中反應濺射沉積AlN減反射層。金屬陶瓷吸收層由高、低SS體積份額的兩吸收子層組成。優(yōu)化濺射真空鍍膜工藝參數(shù)獲得高性能吸收涂層,太陽吸收比α(AM1.5)高達0.956±0.003(國標GB:α≥0.86),比GB高10%;紅外發(fā)射比ε僅為0.043±0.003(GB:ε≤0.08)。制備成φ58×2100 mm全玻璃真空太陽集熱管,80℃平均熱損系數(shù)ULT僅為0.47±0.01 W/m2℃(GB:ULT≤0.85 W/m2℃),比GB低0.38 W/m2℃,性能提高45%。制備的真空集熱管具有良好的真空品質(zhì),集熱管內(nèi)管加熱350℃恒溫480 h后,吸氣鏡面軸向長度平均消失率僅為2~3%,集熱管真空品質(zhì)優(yōu)于GB高達100倍以上(GB:350℃恒溫48 h,鏡面消失率≤50%)。

　　全玻璃真空集熱管是太陽能熱水器核心部件，其性能好壞影響整機的集熱性能。集熱管性能的優(yōu)劣主要取決于其內(nèi)管外表面太陽選擇性吸收涂層的性能，及其內(nèi)外玻璃管夾層中的真空度。1955 年以色列Tabor、美國Gier 和Dunkle 幾乎同時分別提出了采用金屬陶瓷材料吸收太陽輻射。早期平板熱水器采用電化學方法制備Cr- Cr2O3 和Ni- Al2O3 吸收涂層。1970 年代悉尼大學物理學院采用磁控濺射技術沉積太陽選擇性吸收涂層，并研制了不銹鋼- 碳(SS- C)和Al- AlN全玻璃真空集熱管[1,2]，其吸收層分別采用SS 靶在Ar 和C2H2 混合氣體中沉積SS- C 金屬陶瓷吸收層，和采用Al 靶在Ar 和N2 中沉積Al- AlN 金屬陶瓷吸收層。

　　1995 年悉尼大學章其初等人采用兩支金屬靶在濺射氣體和反應氣體中，同時濺射沉積金屬陶瓷吸收層，一支金屬靶非反應濺射沉積金屬組分，另一支金屬靶反應濺射沉積陶瓷組分[3]。該項原創(chuàng)新的研究成果2002 年在中國批準了發(fā)明專利[4]。1995 年起采用章其初以上的發(fā)明專利技術，中國開發(fā)并大規(guī)模生產(chǎn)SS- AlN 金屬陶瓷全玻璃真空太陽集熱管，并在產(chǎn)業(yè)化進程中取得了集熱管生產(chǎn)的關鍵工藝、技術、裝備等一系列成果[5]。本工作作為其研發(fā)成果之一，較為詳細地介紹真空磁控濺射沉積SS- AlN 金屬陶瓷吸收涂層，并制備了高性能SS- AlN 真空太陽集熱管。

實驗

　　沉積SS-AlN 吸收涂層在真空磁控濺射三靶鍍膜機真空設備上進行，型號HM3B850M。圓柱鍍膜真空室高2880 mm，內(nèi)徑850 mm。濺射真空室橫截面結構示意圖如圖1 所示。鍍膜室中裝有3 個定向濺射圓柱靶，Al、SS、Cu。靶管旋轉(zhuǎn)1 r/min，靶芯固定，靶表面濺射朝向玻璃管。靶外徑70 mm，靶放電區(qū)長2600 mm。靶純度Al 靶和Cu 靶均為99.9%，SS靶為1Cr18Ni9Ti。鍍膜室裝有2 路進氣系統(tǒng)，分別通入濺射氣體Ar 和反應氣體N2，Ar 和N2 純度均為99.99%。氣體Ar 和N2 的輸入采用北京七星華創(chuàng)公司生產(chǎn)的D07- 18 型質(zhì)量流量計，量程300 sccm。在鍍膜室中裝載直徑47 mm，長2100 mm 的高硼硅玻璃管32 支，鍍膜時玻璃管圍繞靶做公轉(zhuǎn)加自轉(zhuǎn)的行星運動。試驗用載片裝在1 支玻璃管上。鍍膜機配置2 臺直流電源，1 臺給Al 靶濺射供電，另1 臺先后給Cu 靶和SS 靶濺射供電。電源最大輸出電壓和電流為DC600 V/50 A，恒流輸出工作模式。鍍膜機配置單片機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)真空室抽真空和鍍膜工藝的全自動運行。

圖1 濺射真空室橫截面結構示意圖

　　鍍膜機抽真空系統(tǒng)主要由擴散泵和機械泵組成。待真空室的真空度好于5.0×10- 3 Pa 后，按預設的鍍膜工藝逐層沉積復合膜涂層。首先，Cu 靶在濺射氣體Ar 中運行，濺射沉積一定厚度Cu 紅外反射層。其次，金屬Al 靶和SS 靶在濺射氣體Ar 和反應氣體N2 的混合氣中同時運行。玻璃管公轉(zhuǎn)運動到Al 靶附近時，反應濺射沉積AlN 陶瓷子層，運動到SS 靶附近時，沉積SS 金屬子層，玻璃管上交替沉積AlN 子層和SS 子層組成的復合涂層，由于每個子層很薄，約2 nm，宏觀上可看作是一層SS 和AlN 組成的金屬陶瓷吸收層。通過改變SS 靶濺射電流，沉積不同SS 體積份額的金屬陶瓷吸收層。本試驗先采用較高的SS 濺射電流，沉積高SS 體積份額的金屬陶瓷吸收層HA，再采用較低的SS 濺射電流，沉積低SS 體積份額的金屬陶瓷吸收層LA。最后Al 靶在濺射氣體Ar 和反應氣體N2 的混合氣中，反應濺射沉積AlN 陶瓷表面減反射層。試驗過程中優(yōu)化兩金屬陶瓷吸收層的厚度和SS 金屬體積份額，以及減反射層厚度。除以上光學功能層外，還在玻璃襯底和銅紅外反射層之間沉積粘結層；在銅紅外反射層和高金屬體積份額的金屬陶瓷吸收層之間沉積很薄的阻擋層。這兩層對復合涂層的太陽吸收比和紅外發(fā)射比性能的貢獻可忽略不計。

　　本試驗在真空磁控濺射三靶鍍膜機上優(yōu)化鍍膜工藝，獲得高性能的SS- AlN 金屬陶瓷太陽選擇性吸收涂層，制備高性能真空集熱管。連續(xù)運行40 爐，共生產(chǎn)1280 支。隨機抽樣測量得到集熱管涂層太陽吸收比α 高達0.956±0.003 (國標GB: α≥0.86)，比GB 高10%多；紅外發(fā)射比ε僅為0.043±0.003(GB:ε≤0.08)。隨機抽樣測試得到集熱管的熱學性能如下。80℃平均熱損系數(shù)ULT 僅為0.47 W/m2℃(GB: ULT≤0.85 W/m2℃)，比GB 低0.38 W/m2℃，性能提高了45%；空曬性能參數(shù)Y 高達305 m2℃/kW(GB: Y≥190 m2℃/kW)，比GB 高115 m2℃/kW，性能提高60%；悶曬輻照量H 僅為4.0 MJ/m2(GB:H≤4.7 MJ/m2)，比GB 低0.7 MJ/m2，性能提高15%。真空集熱管加熱350℃烘烤480 h，吸氣鏡面軸向長度的平均消失率僅為2%~3%，集熱管真空品質(zhì)性能遠優(yōu)于GB，高達100 倍以上（GB規(guī)定350℃烘烤48 h，鏡面消失率小于50%）。