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(xué)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(shí)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(yīng)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(dá)0.956±0.003(國標(biāo)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(dá)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(jī)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(shí)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(xué)方法制備Cr- Cr2O3 和Ni- Al2O3 吸收涂層。1970 年代悉尼大學(xué)物理學(xué)院采用磁控濺射技術(shù)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(xué)章其初等人采用兩支金屬靶在濺射氣體和反應(yīng)氣體中，同時(shí)濺射沉積金屬陶瓷吸收層，一支金屬靶非反應(yīng)濺射沉積金屬組分，另一支金屬靶反應(yīng)濺射沉積陶瓷組分[3]。該項(xiàng)原創(chuàng)新的研究成果2002 年在中國批準(zhǔn)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(shù)，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(jìn)程中取得了集熱管生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝、技術(shù)、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(xì)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(shí)驗(yàn)

　　沉積SS-AlN 吸收涂層在真空磁控濺射三靶鍍膜機(jī)真空設(shè)備上進(jìn)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(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。鍍膜室中裝有3 個(gè)定向?yàn)R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(jìn)氣系統(tǒng)，分別通入濺射氣體Ar 和反應(yīng)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(jì)，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(shí)玻璃管圍繞靶做公轉(zhuǎn)加自轉(zhuǎn)的行星運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)用載片裝在1 支玻璃管上。鍍膜機(jī)配置2 臺(tái)直流電源，1 臺(tái)給Al 靶濺射供電，另1 臺(tái)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(jī)配置單片機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)真空室抽真空和鍍膜工藝的全自動(dòng)運(yùn)行。

圖1 濺射真空室橫截面結(jié)構(gòu)示意圖

　　鍍膜機(jī)抽真空系統(tǒng)主要由擴(kuò)散泵和機(jī)械泵組成。待真空室的真空度好于5.0×10- 3 Pa 后，按預(yù)設(shè)的鍍膜工藝逐層沉積復(fù)合膜涂層。首先，Cu 靶在濺射氣體Ar 中運(yùn)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(yīng)氣體N2 的混合氣中同時(shí)運(yùn)行。玻璃管公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到Al 靶附近時(shí)，反應(yīng)濺射沉積AlN 陶瓷子層，運(yùn)動(dòng)到SS 靶附近時(shí)，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(fù)合涂層，由于每個(gè)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(yàn)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(yīng)氣體N2 的混合氣中，反應(yīng)濺射沉積AlN 陶瓷表面減反射層。試驗(yàn)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(xué)功能層外，還在玻璃襯底和銅紅外反射層之間沉積粘結(jié)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(fù)合涂層的太陽吸收比和紅外發(fā)射比性能的貢獻(xiàn)可忽略不計(jì)。

　　本試驗(yàn)在真空磁控濺射三靶鍍膜機(jī)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(yùn)行40 爐，共生產(chǎn)1280 支。隨機(jī)抽樣測量得到集熱管涂層太陽吸收比α 高達(dá)0.956±0.003 (國標(biāo)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(jī)抽樣測試得到集熱管的熱學(xué)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(dá)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(yuǎn)優(yōu)于GB，高達(dá)100 倍以上（GB規(guī)定350℃烘烤48 h，鏡面消失率小于50%）。