一．题目 基于Mo/Ni-TiC金属陶瓷选择性吸收涂层的研究

二课题意义 金属陶瓷兼有金属和陶瓷的优点，它密度小、硬度高、耐磨、导热性好，不会因为骤冷或骤热而脆裂。另外，在金属表面涂一层气密性好、熔点高、传热性能很差的陶瓷涂层，也能防止金属或合金在高温下氧化或腐蚀。金属陶瓷广泛地应用于火箭、导弹、超音速飞机的外壳、燃烧室的火焰喷口等地方。由于金属陶瓷材料在可见光和近红外区域吸收能力强,而在红外区域发射率较低,且具备良好的高温稳定性,因此它们是理想的高温太阳能选择性吸收涂层材料。虽然选择性吸收涂层的研究已经得到了很大的发展,但在涂层的制备仍然存在一些不足。因此,选择性吸收涂层的研究还有待进一步的发展,在能源紧张的今天这项课题的研究显得非常重要

三．研究现状 光热转换技术被广泛地应用于太阳能集热器上,太阳能吸收表面是集热器的关键成分。尽可能的对太阳辐射进行吸收并将其储存而不散失对吸收层来说非常重要,而选择性吸收层因其高的太阳吸收和低的热辐射而满足要求。目前,制备太阳光谱选择性吸收涂层的各种方法在实际应用中都有着一定的局限性,因此我们寻求一种操作简便、设备要求低、成本低廉的容易实现工业化大批量生产的方法来制备光学性能较好的选择性吸收涂层成为目前太阳能产业最急切的需要。已有研究表明：材料低温条件下热学性能相对于常温下的性能往往发生显著变化，表现为比热、热导率、热膨胀系数等参数对温度的依赖性，不同温区下材料的热学性能并不相同。对于金属材料而言，其比热通常由电子和晶格特性共同决定。在极低温条件下电子比热一般占主导地位，其值正比于温度一次方，温度较高时材料比热则主要由晶格比热决定并正比于温度三次方等。对不同类型超导材料包括高低温超导材料以及不同组分的超导材料的热学性能，研究者们从实验和理论方面已开展了系列研究.

国外研究现状： 光谱选择性吸收理论最早由以色列科学家 Tabor 提出，一经提出就成为太阳能材料领域的研究焦点。世界各国学者在选择性吸收材料和结构设计方面投入了大量研究。早期，太阳能选择性吸收涂层的工作温度比较低，普遍都在 200℃以下。随着太阳能利用技术的不断进步，选择性吸收涂层的工作温度不断提高，已经制备出多种性能良好的高温选择性吸收涂层。

在第一次世界太阳能大会上,美国专家吉尔顿科尔与以色列专家泰勒共同论证了制作高吸收率、低发射率选择性涂层的可能性,并分别提出了黑铬和黑镍种涂层。此后,选择性吸收涂层的研究才开始在世界各国发展起来,澳大利亚、以色列、德国、日本、埃及等国不惜投入巨资进行研究,一系列的选择性吸收涂层被开发出来。其中有澳大利亚悉尼大学提出的层结构的涂层,底层是亮金属反射层,中间是太阳能吸收层,最外层是减反射层,日本科学家提出的在铝的阳极氧化膜上覆有机树脂的涂层等等'。近年来,金属陶瓷材料制备的多层渐变选择性吸收涂层成为研究的热点,具有良好的热稳定性,应用在中高温领域中。

对于高温选择性吸收涂层,国外也做了一些尝试性的研究。例如,德国的schott公司、以色列的solel公司、西班牙欧洲再生能源国际实验室Eurec和美国可再生能源国家实验室Nrel大多数采用Mo-Al2O3膜系,他们采用金属直流溅射和反应溅射沉积氧化铝技术,制备Mo金属颗粒或金属部分氧化物颗粒镶嵌在氧化铝基体中,氧化铝膜作为减反层,膜系具有良好的吸收性能和高温发射率。典型产业化设备有德国v阿德那公司VON ARDENNE生产的四室连续真空设备TSS4000型。意大利ENEA采用射频和直流RF-DC磁控溅射技术,制备Mo-SiO2太阳能选择性吸收涂层,Mo作为反射层、Mo-SiO2吸收层和SiO2作为减反层。采用DC直流磁控溅射金属Mo,射频磁控溅射SiO2,同步溅射或分步溅射沉积,获得纳米梯度膜或纳米多层膜。ENEA经过高温循环热试验,发现Mo-SiO2膜系的吸收系数和热发射吸收比Mo-Al2O3更稳定。

国内研究现状： 我国的太阳能利用是从世纪年代末才逐渐开展起来的。北京市太阳能研究所、清华大学、中国科学院上海硅酸所、辽宁省能源研究所等单位和一些太阳能企业开始研究开发选择性吸收涂层,硫化铅沥青漆涂层、黑铬涂层、黑钻涂层、铝氮氧渐变选择性涂层等先后被研制出来。伴随着选择性吸收理论的发展,选择性吸收涂层的制备工艺也快速发展起来。最初的制备工艺主要为涂料法和电镀法,涂料法制备的涂层性能差,并且制备的涂层存在耐久性的问题,而电镀工艺主要存在环境污染等问题。后来又发展了电化学转换法和真空镀膜法,真空镀膜法又包括蒸发镀膜法、溅射镀膜法以及离子镀膜。目前,电化学转换法和真空镀膜法成为中高温选择性吸收涂层制备的主要方法。除了这些方法以外,快速原子蚀刻法、化学气相沉积法和溶胶凝胶法也是新发展起来的方法。选择性涂层的制备涉及到选择性吸收理论、制备工艺以及选择性吸收材料三个方面,只有三者共同发展,才能制备出性能良好的涂层。

四．研究内容

复合材料是由两种或两种以上不同材料组成的一种结构，它既能克服单一材料的某些弱

点和缺陷，又能发挥复合材料中各个组成材料的优点和长处;由于复合材料具备可设计性强的特点，它能通过改变不同的设计参数来满足不同的结构设计要求;同时，复合材料又具有典型的轻量化，卓越的比强度、比刚度，独特的耐腐蚀和隐蔽性、制备的灵活性和易加工性等特点，它在各个工业领域得到了广泛的应用复合材料有金属基、陶瓷基和树脂基三种金属基和陶瓷基复合材料目前处于发展上升阶段，对它们的研究也处于非常活跃时期。

Ti(C,N)基金属陶瓷中，C、N、Ni、Mo 等是最重要的合金元素，其含量的多少以及其相对比例，都直接影响金属陶瓷的显微组织结构，从而影响其性能。但从目前研究结果看来，大部分试验结果相互之间还存在着一定的差异，可能是因为各自的制备工艺条件和原料条件等不同而造成的。本课题主旨在于研究出Ni、Mo、C在不同的比例下对固体导热系数的影响，同时还要测出在不同温度下各个成分含量下的固体导热系数的变化以及热处理后的系数和光热转换性能。

太阳光谱选择性吸收涂层是中高温太阳能集热器的核心部件,世界上许多国家都在致力于工艺简单、成本低廉、性能优良和稳定的太阳光谱选择性吸收涂层的

研究。目前,太阳能热利用主要存在问题如涂层材料耐久性差、制备成本高和低的光热转换效率等。另外,现阶段对于太阳能选择性吸收涂层研究存在的主要问题是涂层的抗高温性能。目前研制的涂层只适合应用于中低温领域,当温度升高时,涂层的发射率急剧上升,涂层性能受到很大的影响，因此如何制备出耐高温的吸收涂层将是以后科学研究的重点。