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等离子喷涂法与Sol-Gel法复合制备中高温太阳能选择性吸收涂层的研究

作　者: 李光磊
导　师: 程旭东
学　校: 武汉理工大学
专　业: 材料学
关键词: 等离子喷涂选择性吸收涂层 SnO2选择性透过膜
分类号: TG174.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

太阳能选择性吸收涂层在中-高温有着优异的选择性吸收作用,在中高温槽式、塔式吸热器表面都有着广泛应用,选择性吸收涂层的本征性能和服役能力决定了其利用的环境。优异的中高温太阳能选择性吸收涂层通常具备良好的吸收率(α)/发射率(ε)、热稳定性、耐大气腐蚀性。传统的常温太阳能选择性吸收涂层的制备方法一般采用电镀、化学镀、刷镀、溶胶-凝胶等方法,这些方法制备的膜层由于膜层致密导致热稳定较差,所以一般使用在常温条件下。中高温太阳能选择吸收涂层的制备方法一般采用磁控溅射、射频溅射等方法,由于这些方法一般制备工艺复杂,对工件的结构要求很高,生产成本高,在大规模的工业化生产上受到了局限。等离子喷涂工艺由于在金属基体上制备的陶瓷层、金属陶瓷层具备优良的结合能力、热稳定性、耐腐蚀性以广泛应用于制备热障涂层、可磨耗封严涂层和抗腐蚀层,但应用等离子喷涂制备太阳能选择吸收涂层国内外却鲜有报道,本文将采用等离子喷涂法制备金属陶瓷太阳能吸收层。溶胶-凝胶法由于制备工艺简单,生产成本低廉,已在诸多领域得到了大规模的工业化应用。本文将参考国内外文献报道在吸收层表面制备减反层的思想,利用溶胶-凝胶法在等离子喷涂金属陶瓷涂层表面利用浸渍-提拉法制备选择性透过膜,来减少涂层的发射率,提高选择性吸收效果。本次试验以Al2O3、Cr、WC、Co为主要成分,采用喷雾干燥法制备了两种系列的金属陶瓷团聚型粉末Cr-Al2O3系和Co-WC系,将该粉末进行干燥,筛分处理得到流动性好的喷涂粉末。采用等离子喷涂工艺在光亮的不锈钢基片上制备两种系列的金属陶瓷吸收层,并对涂层做了热处理和研磨处理。以SnCl4·5H2O、纯水、氨水为主要成分,配制了Sn02的溶胶-凝胶,利用浸渍-提拉法和热处理在等离子喷涂涂层表面制备Sn02选择性透过膜。对等离子喷涂吸收层和复合涂层的组织结构及吸收率、发射率进行了测试与分析,主要研究内容和结论如下：(1)对粉末、等离子喷涂涂层及复合涂层的XRD分析。结果表明：团聚型粉末为纯的金属陶瓷粉末,等离子喷涂涂层物相没有发生变化,在等离子喷涂涂层表面成功制备了Sn02选择性透过膜。(2)对等离子喷涂涂层和复合涂层的微观形貌进行研究。结果表明：等离子喷涂金属陶瓷层为层状结构,表面为小丘状结构夹杂着气孔相存在,在等离子喷涂涂层表面形成了鳞片状的SnO：选择性透过膜。(3)研究了涂层的表面粗糙度与吸收率、发射率的关系。结果表明：吸收率和发射率都随着表面粗糙度的降低而降低,但吸收率/发射率增大。吸收率、发射率与涂层的表面小丘状和气孔这一特殊形貌有关。(4)研究了等离子喷涂金属陶瓷层金属含量对吸收率、发射率的影响。结果表面：两组系列的金属陶瓷吸收层,随着金属含量的提高,吸收率提高和发射率降低。吸收率与发射率和金属禁带宽度和陶瓷的辐射性能有关。(5)研究了热处理对等离子喷涂金属陶瓷层的吸收率、发射率的影响。结果表面：700-900℃的热处理可以降低涂层的发射率和吸收率。热处理可以均化涂层表面,涂层颗粒长大。(6)研究了Sn02膜对金属陶瓷吸收率、发射率的影响。结果表面：增加Sn02膜可以大大的降低涂层的发射率,Sn02膜起到了选择性透过和填补孔隙的作用。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-22
  1.1 研究背景  11-14
  1.2 中高温太阳能选择性吸收涂层的研究现状  14-20
    1.2.1 中高温太阳能选择性吸收涂层的分类  14-16
    1.2.2 中高温太阳能选择性吸收涂层的制备方法  16-20
  1.3 本文的研究目标和研究内容  20-22
    1.3.1 研究目标  20-21
    1.3.2 研究内容  21-22
第2章中高温太阳能选择性吸收复合涂层的设计  22-26
  2.1 涂层的结构设计思想  22-23
  2.2 太阳能选择性吸收复合涂层材料的选择  23-24
    2.2.1 金属陶瓷吸收层材料的选择  23
    2.2.2 吸收层表面选择性透过膜材料选择  23-24
  2.3 本文的技术路线  24-26
第3章中高温选择性吸收涂层材料的制备与研究  26-36
  3.1 金属陶瓷吸收层材料的制备  27-28
    3.1.1 实验材料及成分设计  27
    3.1.2 实验设备  27
    3.1.3 实验步骤  27-28
  3.2 选择性透过膜材料的制备  28-29
  3.3 组织结构与性能测试  29-30
  3.4 实验结果与分析  30-35
    3.4.1 涂层材料的流动性和松装密度  30-31
    3.4.2 涂层材料和SnO_2的XRD分析  31-33
    3.4.3 涂层材料的形貌分析  33-35
  3.5 本章小结  35-36
第4章中高温太阳能选择性吸收涂层的制备与研究  36-61
  4.1 金属陶瓷吸收层的制备  36-38
    4.1.1 实验材料  36
    4.1.2 实验设备  36-37
    4.1.3 实验步骤  37-38
  4.2 选择性透过膜的制备  38-39
    4.2.1 实验材料  38-39
    4.2.2 实验设备  39
    4.2.3 实验步骤  39
  4.3 组织结构与性能测试  39-42
    4.3.1 太阳能选择性吸收涂层吸收率(α)、发射率(ε)  39-41
    4.3.2 XRD分析  41
    4.3.3 形貌和微观结构分析  41
    4.3.4 抗热振性测试  41
    4.3.5 表面粗糙度(Ra)测试  41-42
  4.4 实验结果分析与讨论  42-59
    4.4.1 吸收层对吸收率、发射率的影响  42-46
    4.4.2 热处理对吸收率、发射率的影响  46-51
    4.4.3 SnO_2选择性透过膜对吸收率、发射率的影响  51-55
    4.4.4 吸收层表面粗糙度对吸收率、发射率的影响  55-59
  4.5 本章小结  59-61
第5章结论与展望  61-63
参考文献  63-67
附录攻读硕士期间发表的论文  67-68
致谢  68

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