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兰州化物所高熵合金基高温太阳能光谱选择性吸收涂层研究获进展

2021-10-18 兰州化学物理研究所
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  高熵合金通常被定义为含有5个以上主元素的固溶体,并且每个元素的摩尔比为5~35%,具有优异的力学、耐高温、耐磨、耐蚀、抗辐照等性能,在较多领域展现出发展潜力。中国科学院兰州化学物理研究所环境材料与生态化学研究发展中心副研究员高祥虎、研究员刘刚带领的科研团队,通过组分调控、构型熵优化和结构设计,制备出系列高熵合金基高温太阳能光谱选择性吸收涂层。

  前期,研究人员设计出一种由红外反射层铝、高熵合金氮化物、高熵合金氮氧化物和二氧化硅组成的彩色太阳能光谱选择性吸收涂层,其吸收率可达93.5%,发射率低于10%。研究人员发现,单层高熵合金氮化物陶瓷具有良好的本征吸收特性,因此制备出结构简单的涂层。以高熵合金氮化物作为吸收层,SiO2或Si3N4作为减反射层得到的涂层吸收率可达92.8%,发射率低于7%,并可在650°C的真空条件下稳定300小时。

  近期,为进一步提升涂层吸收能力,研究人员选用不锈钢作为基底,低氮含量高熵合金薄膜作为主吸收层,高氮含量高熵合金薄膜作为消光干涉层,SiO2、Si3N4、Al2O3作为减反射层,形成了从基底到表面光学常数逐渐递减的结构(图1)。研究通过光学设计软件(CODE)进行优化,利用反应磁控溅射的方法制备,提高了制备效率。涂层吸收率可达96%,热发射率被抑制到低于10%。研究人员通过时域有限差分法(FDTD)研究了涂层光吸收机制。长期热稳定性研究表明,高熵合金氮化物吸收涂层在600°C真空条件下,退火168小时后仍保持良好的光学性能;计算涂层在不同工作温度和聚光比的光热转化效率发现,当工作温度为550°C、聚光比为100时,涂层的光热转化效率可达90.1%。该图层显示出优异的光热转换效率和热稳定性(图2)。

  研究人员将吸收涂层沉积在不同基底材料上制备的涂层依然保持优异的光学性能,并在铝箔上实现了涂层的大规模制备。对不同入射角的吸收谱图研究发现,吸收涂层在入射光角度为0-60°的范围内具有良好的吸收率。研究人员模拟太阳光对吸收器表面进行照射,在太阳光照射下,涂层表面的温度超过100℃,表明该材料在界面水蒸发研究领域具有重要应用价值。

  相关研究成果发表在Journal of Materials Chemistry ASolar RRLJournal of Materiomics上。上述工作开发出兼具优异光学性能和耐高温性能的高温太阳能光谱选择性吸收涂层,拓展了高熵合金在新能源材料领域的功能应用。研究工作得到中科院青年创新促进会、中科院科技服务网络计划区域重点项目和甘肃省重大科技项目的支持。

图1.光学模拟结合磁控溅射方法制备太阳能光谱选择性吸收涂层

 

图2.光谱选择性吸收机制和热稳定性研究

打印 责任编辑:阎芳

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