真空玻璃集热管溅射α—C：H／Al—N／Al吸收涂层的研究

用磁控溅射镀膜技术镀制太阳能集热管的涂层研究结果表明，用单一的铝靶极及氮气、乙炔气体等材料，经直流反应和非反应溅射，在玻璃管上镀制α－C：H／Al-N/Al选择性吸收涂层，其太阳吸收比αs=0.93-0.94，半球向发射比εh=0.07-0.08，与Al-N/Al选择性吸收涂层相比，反应溅射阶段镀膜时间缩短了59％。     

全玻璃SS-AlN金属陶瓷真空太阳集热管

不锈钢-氮化铝(SS-AlN)金属陶瓷太阳选择性吸收涂层于1995年在实验室制备成功,采用真空磁控溅射沉积。太阳吸收复合膜采用干涉吸收型膜层结构,由不同金属含量的两层金属陶瓷层组成吸收层。金属陶瓷吸收层采用在镀膜室中SS和Al金属靶,在溅射气体Ar和反应气体N2中同时溅射运行,SS靶非反应溅射沉积SS金属组分,Al靶反应溅射沉积AlN陶瓷组分。实验室沉积的SS-AlN吸收涂层的太阳吸收比高达94%～96%,室温辐射比3.5%～4.0%。皇明公司2001年开始产业化生产全玻璃SS-AlN真空太阳集热管。我们开发了立式集热管连续镀膜线,第一条镀膜线于2007年调试成功,投入生产。集热管镀膜线真空系统长约41 m,高约3 m。每条线日产约为1.8～2.0万支。     

渐变Al-N/Al太阳选择性吸收表面

建立了单铝阴极圆柱磁控溅射生产系统(JCK—300),一次可以在15只长1.2m直径37mm玻璃管上沉积涂层。在溅射系统中实验得到了Al-N复合材料之沉积工艺参数,确定了刚沉积(AD)与真空烘烤450℃1小时(HT)后这些Al-N复合材料的光学常数。Al-N介质膜的折射率n≈1.8,消光系数k<0.01可以作为选择性吸收表面的减反层。制备了一种在铝底层上的渐变Al-N吸收层(渐变Al-N/Al)新的太阳选择性吸收表面。以多层膜系计算这种表面的反射率与实验结果比较一致,太阳吸收率α≈0.93(AD)和α≈0.92(HT),以及发射率3≈0.06(AD,100℃)和3≈0.055(HT,100℃)运用Auger电子能谱(PHI—610)分析了渐变Al-N/Al选择性收收表面沿深度的成分分布。渐变Al-N/Al吸收表面的性能优良,制备用的溅射系统简单,又有高的溅射利用率,低的成本与没有污染,因而具有非常好的应用前景。     

直流反应溅射沉积Al2O3薄膜及其在SS-AlN金属陶瓷太阳吸收涂层的应用

在沉积不锈钢-氮化铝(SS-AlN)金属陶瓷太阳吸收集热管的磁控溅射三靶镀膜机上,安装了UPS03反应溅射闭环控制单元,实现反应溅射Al2O3稳定反馈控制。采用国产直流电源在Al靶表面处于过渡态下,成功制备了吸收几乎为零的Al2O3薄膜。溅射功率在14kW时,反应溅射沉积Al2O3的靶电压波动可长时间稳定控制在±3 V范围内,沉积速率为5.4 nm/(min·kW),约为Al靶在无反应气体溅射下沉积Al薄膜速率的74%。采用Al2O3代替AlN作为减反射层,应用到SS-AlN太阳选择性吸收涂层中,进一步提高了复合膜的太阳光学性能,太阳吸收比由AlN作为减反射层的0.956提高到0.965,红外发射比不变,仍为0.044。     

提高太阳能集热管磁控溅射镀膜沉积速率的研究

工业上用磁控溅射技术为太阳能集热管制备Al-N/Al选择性吸收涂层,这种吸收涂层最外层为AlN介质减反层.在开环N2流量控制模式下,存在溅射制备AlN介质减反层沉积速率低的缺点.本文依据气相化学反应动力学理论,薄膜的沉积率正比于反应气体的浓度,提出了一种提高制备AlN陶瓷减反层沉积速率的方法.该方法将直流溅射靶电压反馈至模糊控制器,控制N2流量大小,让磁控溅射镀膜机稳定工作在拐点电压附近,实现反应溅射恒电压控制.并且采用单片机技术制作了样机,在SCS-700A型太阳能集热管镀膜机中使用,实验结果表明,镀膜沉积速率提高了4倍以上,整个系统工作稳定.     

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0.38W/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％).     

射频反应溅射AL2O3薄膜组分研究

通过射频反应溅射的方法制备Al2O3薄膜,并研究其中AL和O的化学配比,并取得初步结果。实验以高纯Al作为靶材,高纯度O2为反应气体,在单晶(100)Si片上镀制Al2O3薄膜。用XPS能谱分析仪测试,不同氩氧比的情况下,氧化铝薄膜的化学配比,并与反应速率曲线进行对比确定氩氧比工艺。结果表明,应用此工艺制备的Al2O3薄膜具有良好的化学配比,得出了用试验方法确定反应溅射Al2O3薄膜氧氩比工艺的方法,此方法简单有效。     

一种新型光谱选择性吸收涂层——真空蒸镀黑铝涂层

本文介绍用一般真空镀膜工艺,通过控制蒸镀时的气氛和压力,研制成功一种新型光谱选择性吸收涂层。该涂层具有α_s>0.87和ε_h<0.10的光学性能。透射电镜、扫描电镜、X-线衍射和俄歇电子能谱分析结果表明:黑铝涂层是由细晶铝和无定形氧化铝构成的金属陶瓷所组成,颗粒尺寸约为100～200(?)。涂层俄歇电子能谱分析结果表明:由于 AES 图中同时存在68;1396eV(Al)和51;1378eV Al_(Al_2O_3)两组特征峰,表明黑铝涂层由 Al 和Al_2O_3金属陶瓷所组成。根据原子百分含量计算的重量百分组成为:Al—0.43;Al_2O_3—0.57。由于黑铝涂层具有工艺简便、原料成本低、可加涂在塑料薄膜上和可望大面积连续蒸镀工艺等特点,因此是一种很有发展前景的廉价光谱选择性吸收涂层。     

太阳能集热板镀膜及其设备

介绍了采用真空磁控溅射的方法在太阳能集热板上镀选择性吸收膜，从而使平板太阳能热水器的热效率得到提高；集热板的αs=0．91～0．96；ε≤0．1。并介绍了镀膜设备的性能。     

太阳能集热管镀膜设备与工艺

本文较全面的阐述了利用磁控溅射镀膜设备镀制真空玻璃太阳能集热管选择性吸收涂层（薄膜）新技术，并对适于批量生产高效率高性能的太阳能集热管的先进设备和工艺进行了论述。其设备结构简单、操作方便、性能稳定可靠，薄膜材料来源方便、价格低廉，所镀膜层均匀牢固，使用寿命长，具有较高的集热效果，其吸收率值高达０．９５～０．９７，辐射率为０．０５～０．０８；镀管成品率较高，可达９５％以上，成本低，与化学工艺相比，可降低成本４８％。可见具有明显的经济效益。同时这一新工艺无环境污染，工作人员劳动强度低，对身体无害。     

大气等离子喷涂环境障涂层镀Al表面改性

陶瓷基复合材料(CMC)由于具有较低的密度(高温合金的1/3～1/4)、较高的服役温度(比高温合金高200～240℃)以及良好的结构强度(高温合金的2倍),已成为未来大推重比航空发动机热端部件的首选材料。发动机服役过程中,热端部件完全暴露于空气气氛中,服役环境恶劣,以Si C/Si C为代表的CMC部件直接面临着腐蚀、烧蚀、冲刷等问题,因此急需开展一类高性能CMC热防护涂层即环境障涂层(EBCs)的研究。通过大气等离子喷涂在SiC/SiC CMC基体表面制备硅/莫来石/硅酸镱(Yb2SiO5)三层结构EBCs。为提高EBCs服役性能,对涂层样品进行镀Al表面改性即采用磁控溅射技术在涂层表面镀Al全包覆,然后对其进行真空热处理。在高温低真空下,涂层表面Al膜发生熔融并在毛细管力的作用下往多孔涂层内部渗透并与Yb_2SiO_5发生原位反应,在涂层表面形成一层致密α-Al_2O_3层。对喷涂态及镀Al表面改性涂层进行典型模拟服役环境性能对比实验,发现镀Al表面改性EBCs具有较好的抗高温水氧及耐CMAS(CaO-MgO-Al_2O_3-Si O_2)腐蚀性能。另外,通过实验观察,原位形成的α-Al_2O_3致密层对涂层的热循环性能无明显影响。     

α籽晶促进低温反应溅射沉积α-Al2O3薄膜

分别使用反应溅射Al+α-Al₂O₃(15% α-Al₂O₃,质量分数)复合靶和在金箔基体表面预植α-Al₂O₃籽晶,促进α-Al₂O₃薄膜的低温沉积。使用扫描电子显微镜(SEM)、掠入射X射线衍射(GIXRD)和能谱仪(EDS)等方法表征薄膜样品的表面形貌、相结构和元素组成。结果表明,在射频反应溅射Al+α-Al₂O₃复合靶、沉积温度为560℃条件下能在Si(100)基体上沉积出化学计量比的单相α-Al₂O₃薄膜;使用射频反应溅射Al靶、沉积温度为500℃条件下能在预植α-Al₂O₃籽晶(籽晶密度为10⁶/cm²)的金箔表面沉积出化学计量比的单相α-Al₂O₃薄膜。两种研究方案的结果均表明,α-Al₂O₃籽晶能促进低温沉积单相α-Al₂O₃薄膜。     

镀Al空心玻璃微球FeCo合金/环氧树脂复合材料的吸波性能

利用磁控溅射法对空心玻璃微球表面镀Al。研究了由镀Al空心玻璃微球FeCo合金/环氧树脂制成的复合材料在2~18GHz频段范围内的电磁特性, 利用模型计算了所制备样品的微波反射率。结果表明, 在镀Al空心玻璃微球和FeCo合金粉末总体积分数一定的条件下, 随着镀Al空心玻璃微球与FeCo 合金体积比的增加, 复合材料介电常数实部ε′减小, 虚部ε″ 变化不明显; 磁导率的实部μ′ 和虚部μ″ 均减小; 反射率峰值向高频方向移动。 当 镀Al空心玻璃微球与FeCo合金体积比2∶1时, 涂层厚度为2mm, 吸收峰值达到-29.69dB, 其面密度仅为3.71kg/m2, 吸收率小于-10dB的带宽达到2.4GHz。由此可见, 通过改变镀Al空心玻璃微球与FeCo合金的体积比, 可以调节电磁参数, 提高材料的吸波性能。      

铬-氧薄膜及其太阳选择性吸收涂层

采用直流磁控反应溅射技术,获得了三种铬-氧薄膜复合材料。反应蒸发得到了两种铬-氧薄膜复合材料。用测厚仪与分光光度计法确定了波长在0.4-2.5微米范围内这些薄膜材料的光学常数n、k(复折射率n-ik)。其中第三种溅射铬-氧薄膜(C_rO3)的能带间隙约1.leV (A-D)和1.4eV(H-T)。从这些铬-氧薄膜材料的n、k数据,计算与设计了太阳选择性吸收涂层。得到以铝为底层的铬-氧选择性吸收涂层的最佳太阳光吸收率a≈0.91(AM2),这与实际制备的铬-氧选择性涂层的吸收率是一致的。直流磁控反应溅射制备的SiO_X薄膜,其成分接近SiO_2。经确定SiO_2薄膜的n≈1.5,k<0.01。SiO_2作为减反射膜沉积在上述的铬-氧选择性涂层上,其太阳吸收率a(AM2)≈0.94,室温发射率ε=0.04,故a/ε达23.5。     

提高蓝宝石高温强度和透过率的研究

在蓝宝石(α-Al2O3)衬底上利用射频磁控反应溅射法制备出SiO2/Si3N4双层增透膜系,并对镀膜后的蓝宝石进行了高温强度测试及其透过率的研究.研究表明:镀膜后蓝宝石的高温强度和透过率均有明显提高;800℃时,镀膜蓝宝石的高温强度比未镀膜提高了41.0%;在3～5μm波段范围内,室温下镀膜后透过率比镀膜前提高8.0%;SiO2/Si3N4膜系具有较高的热稳定性,且与蓝宝石衬底附着良好.     

采用PLC级差法闭环控制中频电源反应溅射沉积Al2O3薄膜

本工作开发了一种靶电压反馈自动控制系统,称为可编程控制器(PLC)级差法反馈控制系统,用于旋转圆柱金属Al靶真空反应溅射沉积Al2O3陶瓷薄膜。根据反应溅射Al2O3工艺特性设计反馈控制的数学模型,再按照数学模型,采用梯形语言在PLC内进行程序编码实现。通过反馈控制参数的优化,实现较高功率26 kW下中频磁控反应溅射Al2O3工艺稳定。测试得到50 nm厚的Al2O3薄膜,其可见光吸收比和太阳光吸收比接近零。这种反应溅射反馈控制系统简易可行且经济实用。     

PVP调控的纳米复合氧化铝涂层性能研究

利用聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinylpyrrolidone,PVP)添加到勃姆石溶胶/纳米α-Al2O3粒子体系中形成纳米复合浆料,采用旋涂、热处理的过程制备出具有一定厚度的Al2O3绝缘涂层,结果表明:PVP的添加能改变复合浆料中纳米α-Al2O3粒子的分散稳定性,进而调节涂层的结构以及电性能.当PVP与勃姆石溶胶中[Al3 ]之间的物质的量比xPVP=1.2左右时,涂层介电击穿强度达到最大值～67kV/mm.由于纳米α-Al2O3粒子的引入,空间电荷极化成为涂层内部主要极化机制.     

脉冲偏压对(Ti,Al)N/TiN/(Ti,Al)N多层复合涂层成分和硬度的影响

采用脉冲偏压多弧离子镀技术在Hss-Al高速钢上涂镀(Ti,Al)N/TiN/(Ti,Al)N多层复合涂层.所用设备为复合八阵弧离子镀膜生长系统.简要介绍了多层复合膜的镀层工艺过程.鉴于复合涂层中的Al含量对涂层的性能特别是抗磨损性能有极重要的影响,实验中重点考察了脉冲偏压幅对Al含量的影响.同时测试了复合涂层的vickers硬度与偏压幅值的关系.研究结果得出,随着脉冲偏压幅值的增加,涂层中Al含量先增加,然后减少,偏压幅值为-150v时,Al含量高达36.41at%;偏压幅与涂层显微硬度的关系有相似的规律,在偏压幅值为-150V时,7层复合膜的vickerB硬度达2750 MPa左右,10层复合膜的硬度约2880 MPa.     

磁控溅射镀Al对NiCrAlY合金层循环氧化性能的影响

通过磁控溅射手段在NiCrAlY合金表面成功制备了1层Al膜,并比较了镀Al粘结层和不镀Al粘结层在1200℃循环氧化的性能.结果表明,磁控溅射镀Al,制得表面Al膜厚度在2μm左右,NiCrAlY合金层内部的组分并无变化.这层Al膜有助于在表面形成1层分布连续、排列紧密的α-Al_2O_3层,降低了合金层的循环氧化增重速率,延长了涂层开裂脱落时间,使NiCrAlY合金表现出了比较好的抗循环氧化性能.     

基于三元镶嵌靶的反应溅射沉积涂层成分模拟计算

成分的有效控制是多元涂层材料研究和应用中的重点和难点。在反应溅射沉积Berg模型基础上建立了多元镶嵌靶溅射沉积涂层的成分模拟方法,以Ti、Al和石墨三元镶嵌靶为例,模拟了靶材石墨含量及N2分压对TiAlCN涂层中Ti/Al原子比、C含量和N含量的影响,并对引起成分变化的内在原因进行了探讨。