Co-Cr3C2-WC/Al2O3太陽能選擇性吸收涂層制備與性能研究

邵豪，曾鮮，李擎煜，劉富生，劉統(tǒng)治，程旭東

Co-Cr3C2-WC/Al2O3太陽能選擇性吸收涂層制備與性能研究

邵豪，曾鮮，李擎煜，劉富生，劉統(tǒng)治，程旭東

（武漢理工大學(xué)，武漢 430070）

研究不同比例的Co-Cr3C2-WC吸收層的光譜發(fā)射與吸收性能，并在吸收層表面制備Al2O3減反膜，進(jìn)而得到一種新型中高溫金屬-陶瓷型太陽能選擇性吸收涂層。采用超音速火焰噴涂法（HVOF）在不銹鋼基底制備Co-Cr3C2-WC吸收層，并對(duì)其成分比例進(jìn)行優(yōu)化，再通過溶膠-凝膠法（Sol-Gel）在吸收層表面制備Al2O3減反膜。通過X射線衍射儀（XRD）、X射線光電子能譜（XPS）、掃描電子顯微鏡（SEM）等，對(duì)涂層的物相、元素價(jià)態(tài)、微觀形貌進(jìn)行表征分析。采用表面粗糙度儀測(cè)量涂層的表面均方根粗糙度。利用傅里葉紅外光譜儀和紫外可見分光光度計(jì)分別測(cè)量涂層在遠(yuǎn)紅外波段和紫外可見近紅外波段的光譜反射率。90Co-5Cr3C2-5WC（wt.%）吸收層具有最高的品質(zhì)因子（吸收率/發(fā)射率/=0.805/0.308），且表面增加Al2O3減反膜后的涂層吸收率增加至0.903，發(fā)射率降低至0.278。涂層表面均勻致密，表面粗糙度降低到1.109 μm。在750 ℃大氣環(huán)境下熱處理100 h后，涂層吸收率增大到0.910，發(fā)射率為0.315，選擇吸收性能穩(wěn)定。90Co-5Cr3C2-5WC吸收層在保持較高的吸收性能下，有效地改善了熱噴涂涂層的表面狀態(tài)，降低了吸收層的發(fā)射率。Al2O3減反膜通過增大短波段光的透過作用以及封孔作用，進(jìn)一步增大了復(fù)合涂層的吸收率，提高了涂層的選擇吸收性能和高溫服役性能。有望作為中高溫太陽能集熱系統(tǒng)中的選擇吸收涂層材料。

Co-Cr3C2-WC/Al2O3；選擇性吸收涂層；光學(xué)性能；熱穩(wěn)定性；超音速火焰噴涂；溶膠-凝膠法

太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔可再生能源，其在替代傳統(tǒng)化石能源，以緩解環(huán)境污染和能源危機(jī)上具有廣闊的發(fā)展前景[1]。在眾多太陽能利用方式中，太陽能集熱是一種十分高效且能大規(guī)模收集太陽能并將其轉(zhuǎn)化為熱能用于發(fā)電的技術(shù)[2]。為了實(shí)現(xiàn)較高的光熱轉(zhuǎn)換效率，太陽能選擇性吸收涂層作為太陽能集熱器中的核心部件，應(yīng)在短波段（0.3~ 2.5 μm）具有高吸收率（），盡可能多地吸收能量，而在長波段（2.5~25 μm）具有低紅外發(fā)射率（），以減少熱損失[3]。隨著太陽能光熱技術(shù)的不斷發(fā)展，中高溫太陽能選擇性吸收涂層逐漸成為研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。傳熱介質(zhì)工作溫度的提高，能夠大大提升太陽能光熱系統(tǒng)的效率，因此在中高溫太陽能選擇性吸收涂層領(lǐng)域，除了光學(xué)性能，涂層高溫?zé)岱€(wěn)定性也是一項(xiàng)十分重要的性能指標(biāo)。

金屬-陶瓷型太陽能選擇性吸收涂層因其優(yōu)異的光學(xué)性能和高溫穩(wěn)定性，成為近年來的研究熱點(diǎn)。通常金屬-陶瓷基選擇性吸收涂層由過渡金屬及過渡金屬氧化物、碳化物或氮化物組成，如Cr-Cr2O3[4]、Pt- Al2O3[5]、Co-WC[6]、TiC-Ni/Mo[7]、Ti-AlN[8]、Mo-CrN[9]等，其制備方法主要有磁控濺射、離子鍍、熱噴涂和溶膠凝膠等方法。磁控濺射技術(shù)廣泛應(yīng)用于金屬陶瓷基薄膜的制備，采用該方法可以精確地控制膜厚，薄膜表面均勻致密，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，吸收率高，發(fā)射率低[10]，但是工藝復(fù)雜、成本昂貴等特點(diǎn)使其很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用。相對(duì)于這些成膜方法，熱噴涂技術(shù)工藝簡便、成本低，制得的涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，涂層熱穩(wěn)定性好。Gao等人[11]通過超音速火焰噴涂制備了Ni-Mo和Ni-Mo-Co基太陽能選擇性吸收涂層，并通過激光熔覆技術(shù)對(duì)涂層表面進(jìn)行處理，Ni-Mo的吸收率從0.84提高到0.88，Ni-Mo-Co的吸收率從0.75提高到0.83，涂層吸收性能得到提升，但是沒有進(jìn)一步研究涂層在高溫下性能是否穩(wěn)定。王小波等[12]利用超音速火焰噴涂法，通過改變成分比例、粉末粒度，將硬質(zhì)金屬陶瓷材料Co-WC制備成太陽能選擇性吸收涂層，涂層吸收率達(dá)到0.87，并且具有很好的高溫穩(wěn)定性，但是沒有對(duì)涂層的發(fā)射率進(jìn)行研究。

WC、TiC、HfC等耐高溫碳化物陶瓷材料由于優(yōu)良的耐磨、化學(xué)穩(wěn)定性以及高本征吸收性能，也被廣泛地用于制備太陽能選擇吸收涂層[13-15]。Cr3C2的耐磨、耐腐蝕性能優(yōu)異，并且其耐高溫性能（1100 ℃穩(wěn)定）比WC（500 ℃穩(wěn)定）好，同時(shí)成本較低，通常和Ni-Cr合金復(fù)合制備耐磨耐腐蝕涂層[16]。但是其在太陽能吸收涂層方面的研究幾乎沒有。熱噴涂涂層表面致密度低、粗糙度大，不利于紅外發(fā)射率的降低。因此需要結(jié)合其他表面處理技術(shù)來改善涂層的表面狀況。

本文通過超音速火焰噴涂法（HVOF）和溶膠-凝膠法（Sol-Gel）的結(jié)合，采用HVOF法制備了Co-Cr3C2-WC金屬-雙陶瓷型吸收層，并且通過優(yōu)化各組分的比例，提高吸收層的光學(xué)性能。在制備吸收層的基礎(chǔ)上采用Sol-Gel法制備Al2O3減反層，研究了減反層對(duì)Co-Cr3C2-WC涂層光學(xué)性能和表面狀態(tài)的改善作用，并對(duì)復(fù)合涂層的熱穩(wěn)定性進(jìn)行了探究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 團(tuán)聚粉末制備

本實(shí)驗(yàn)共制備了五組不同配比的試樣，各組試樣成分比例列于表1。采用純度為99.5%的Co、Cr3C2和WC粉末為原料。首先將原料粉末按比例稱量（每組粉末總質(zhì)量為500 g），再與去離子水混合，加入3%的有機(jī)粘接劑（主要成分為羧甲基纖維素鈉）和30 mL消泡劑（99.0%的甘油），混合均勻后，將料漿放入砂磨機(jī)砂磨1 h，得到均勻細(xì)化的料漿，最后在膠磨機(jī)中膠磨，得到充分混合均勻的料漿。料漿通過噴霧造粒制備出球形團(tuán)聚粉末。粉末經(jīng)過焙燒去除粘接劑后，過篩得到40~50 μm粒度的粉末，用于噴涂制備涂層樣品。

表1 各原料粉末的組分比例

Tab.1 Component ratio of each raw material powder

1.2 吸收層制備

噴涂所用的基底為316L不銹鋼（30 mm× 40 mm× 1 mm），噴涂前先將基底在丙酮和去離子水中超聲清洗，之后通過噴砂處理使其表面毛糙化來增大其與涂層間的附著力。采用北京航天振邦精密機(jī)械有限公司ZB-2000 HVOF系統(tǒng)制備吸收層，具體噴涂工藝參數(shù)如表2所示。

表2 噴涂采用的工藝參數(shù)

Tab.2 Parameters used for the spraying

1.3 Al2O3減反膜制備

通過溶膠凝膠法在性能最好的吸收層表面制備Al2O3減反膜。將異丙醇鋁作為前驅(qū)體，首先在80 ℃的水浴鍋中將前驅(qū)體粉末充分溶于去離子水中，之后緩慢滴入稀硝酸至溶液的pH值為3~4。再將混合溶液加熱到90 ℃，并不斷攪拌12 h，以確保反應(yīng)完全進(jìn)行。最后將得到的澄清溶膠靜置一段時(shí)間后即可使用，所得Al2O3溶膠濃度為0.5 mol/mL。涂覆溶膠層之前，先將超音速噴涂制備的吸收層進(jìn)行超聲清洗。采用旋涂法使Al2O3溶膠充分覆蓋吸收層，以達(dá)到較好的減反作用和封孔作用。旋涂法包括兩個(gè)階段：第一階段以200 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)40 s，使溶膠充分分散在涂層表面；第二階段將轉(zhuǎn)速提升到2000 r/min旋轉(zhuǎn)60 s，得到均勻致密的溶膠層。隨后將涂層置于120 ℃的干燥箱里干燥2 h，最后將干燥后的涂層放入管式爐中，在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行750 ℃高溫?zé)崽幚? h，升溫速度為3 ℃/min，得到B0涂層，繼續(xù)以相同步驟再制備一層氧化鋁溶膠層后，得到C0涂層。

1.4 表征與性能測(cè)試

采用X射線衍射技術(shù)（XRD，德國布魯克AXS公司，D8 Advance）對(duì)粉末和涂層的物相進(jìn)行分析。采用掃描電子顯微鏡（SEM，日本電子株式會(huì)社，JSM-IT3000）對(duì)粉末和涂層的表面形貌進(jìn)行測(cè)試。采用TR240粗糙度儀測(cè)量涂層的表面粗糙度。采用X射線光電子能譜儀（XPS，德國賽默飛世爾科技有限公司，ESCALAB 250Xi）表征涂層中相關(guān)元素的化學(xué)態(tài)，測(cè)量時(shí)使用Al靶Kα（1486.7 eV）射線，通過C1s（284.8 eV）對(duì)各元素結(jié)合能進(jìn)行校正。采用紫外可見分光光度計(jì)（日本島津，UV-3600型）和傅里葉變換紅外光譜儀（德國布魯克公司，Tensor 27）分別測(cè)量涂層在紫外可見近紅外波段（0.3~2.5 μm）和遠(yuǎn)紅外波段（2.5~25 μm）的反射光譜。涂層吸收率和發(fā)射率分別由公式(1)、(2)計(jì)算得出。

式中，sol()是標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜AM1.5的輻射強(qiáng)度，()為光譜反射率，b()是室溫下的黑體輻射強(qiáng)度[17]。

涂層的高溫?zé)岱€(wěn)定性通過長時(shí)間大氣環(huán)境下熱處理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。將所制備的樣品放入馬弗爐中進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚瑹崽幚頊囟葹?00 ℃，升溫速度5 ℃/min，熱處理時(shí)間共100 h。每隔20 h取出樣品，并測(cè)量其和值。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉末與涂層的XRD分析

圖1為粉末與涂層的XRD衍射圖譜。由圖可知，涂層和粉末中均只出現(xiàn)Co、Cr3C2和WC所對(duì)應(yīng)的衍射峰，各衍射峰強(qiáng)度和原粉末比例相一致，沒有發(fā)現(xiàn)脫碳相及氧化相相關(guān)的物質(zhì)。表明采用這種團(tuán)聚球形結(jié)構(gòu)粉末作為原材料，加上超音速火焰噴涂溫度低、粒子飛行速度快等特點(diǎn)，在噴涂過程中能夠有效地避免粉末的燒損。制備涂層后可以發(fā)現(xiàn)，粉末中部分hcp-Co在噴涂過程中轉(zhuǎn)化為高溫穩(wěn)定的fcc-Co，并在冷卻過程中保存下來。fcc-Co較好的延展性有利于提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。從圖1b可以看出，位于52.3°處的fcc-Co(200)晶面對(duì)應(yīng)的特征峰有很明顯的寬化現(xiàn)象，此外，圖1c中從A0到C0涂層，C0涂層成分未發(fā)生明顯變化，而52.3°處的fcc-Co(200)對(duì)應(yīng)的衍射峰的相對(duì)強(qiáng)度有所增強(qiáng)，衍射峰更尖銳，表明在噴涂過程中部分鈷以非晶態(tài)存在，并在Al2O3的熱處理晶化過程中也發(fā)生晶化，結(jié)晶度提高。在噴涂過程中，粉末顆粒被加熱到1800 ℃以上，而涂層和基底的溫度保持在250 ℃以下，顆粒到達(dá)基體后快速冷卻，部分原子來不及規(guī)則排列形成晶體結(jié)構(gòu)，以非晶態(tài)存在。

圖1 粉末和涂層的XRD衍射圖譜

2.2 形貌分析

涂層的表面形貌主要由熔融、半熔融、未熔區(qū)域和孔隙組成，如圖2所示。圖2a為A1吸收層（80Co- 20Cr3C2）的表面形貌，由于Cr3C2和Co的潤濕性較差，未熔Cr3C2顆粒分散在金屬相表面。隨著WC含量增加，涂層表面彌散分布的未熔顆粒減少，而WC與Co的潤濕性較好，在熔融區(qū)域邊界形成這種連續(xù)性的半熔融區(qū)，如圖2b、c所示。但是當(dāng)WC含量繼續(xù)增大時(shí)，如圖2d所示，整個(gè)團(tuán)聚粉末的熔融性能變差，涂層表面形成大范圍的半熔融區(qū)，粗糙度變大，并且產(chǎn)生大量孔隙。噴涂過程中，熔融顆粒高速撞擊基底后充分鋪展開，形成光滑致密區(qū)域。而未熔或半熔顆粒沒有完全軟化，在基體上不能很好地鋪展開。在噴涂中，金屬Co由于熔點(diǎn)較低而易熔融，Cr3C2（熔點(diǎn)為1890 ℃）和WC（熔點(diǎn)為2870 ℃）熔點(diǎn)較高而較難熔融。因此，不同成分比例的粉末在噴涂中的熔融性能不一樣，同時(shí)，熔融相和未熔相之間的潤濕性也會(huì)影響其在涂層表面的沉積行為。Cr3C2和Co的潤濕性較差，導(dǎo)致A1涂層中未熔的Cr3C2彌散地分布在涂層表面，造成較大的表面粗糙度。當(dāng)A4涂層中熔點(diǎn)較高的WC含量過多時(shí)，形成的大范圍未熔區(qū)域也會(huì)導(dǎo)致涂層粗糙度較大，致密度低。涂層的紅外發(fā)射率與表面粗糙度有很大的聯(lián)系，大的粗糙度會(huì)增強(qiáng)表面的漫反射，從而使發(fā)射率升高[19]。通過粗糙度儀對(duì)涂層的表面均方根粗糙度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表3所示。Co含量為80%時(shí)，A3涂層的表面粗糙度最小，表明當(dāng)Cr3C2∶WC為1∶1時(shí)，有利于形成粗糙度較小的表面，從而降低熱噴涂吸收層的發(fā)射率。當(dāng)Co含量增加到90%時(shí)，Cr3C2∶WC仍為1∶1，制備的A0涂層粗糙度進(jìn)一步減小到1.712 μm，從圖2e可看出，A0吸收層表面的未熔和半熔區(qū)減少，顆粒在基底的鋪展效果較好，表面比較平滑。

圖2 吸收層的表面形貌圖

表3 不同涂層的表面均方根粗糙度值

Tab.3 Root mean square roughness on surfaces of different coatings

2.3 Co-Cr3C2-WC吸收層的光學(xué)性能

圖3為單層熱噴涂吸收層的光譜反射曲線，圖3a是在0.3~2.5 μm波段的反射曲線，其中A1吸收層的反射曲線最低，吸收率最高，可達(dá)到0.880。隨著Cr3C2/WC比值減小，從A1—A4可以看出，反射曲線呈上升趨勢(shì)，吸收率逐漸降低，說明Cr3C2比WC具有更加優(yōu)越的光譜吸收性能。但是從紅外波段的反射曲線來看，A1反射曲線最低，其發(fā)射率很高，導(dǎo)致了品質(zhì)因子（/）較小，光譜選擇性吸收性能不佳。根據(jù)基爾霍夫定律，在同等溫度下，物體對(duì)相同波長的單色輻射比與單色吸收比相等，Cr3C2和WC在提升涂層吸收率的同時(shí)，也會(huì)在不同程度上提高涂層的本征發(fā)射率。由于Cr3C2對(duì)涂層的吸收率和發(fā)射率都有較大的提高作用，綜合考慮吸收率和發(fā)射率，A3（80Co-10Cr3C2-10WC）吸收層的/值最大，達(dá)到了1.73。A3吸收層的品質(zhì)因子較高是因?yàn)槠浒l(fā)射率相對(duì)較低，通過成分比例的優(yōu)化，涂層的表面粗糙度減小，并且隨著Cr3C2含量的減少，其對(duì)涂層本征發(fā)射率的貢獻(xiàn)也減少。對(duì)于單層熱噴涂吸收層來說，A3涂層品質(zhì)因子仍然不夠理想，這是由于超音速火焰噴涂涂層厚度較大，表面粗糙度大，導(dǎo)致較高的發(fā)射率。由于金屬有著較高的紅外反射率，為了進(jìn)一步降低發(fā)射率，將鈷的含量提高到90%，Cr3C2和WC各占5%，制備了A0涂層，從反射曲線來看，雖然A0涂層的吸收率有所下降，但是其發(fā)射率從0.479降低到0.308，/提升到2.61。鈷含量的增加一方面提高了涂層的紅外反射性能，另一方面，由于金屬在噴涂過程中較好的熔融性，可達(dá)到改善涂層表面狀態(tài)的目的，從而使涂層致密度提高，表面粗糙度降低，達(dá)到降低涂層發(fā)射率的效果。

2.4 Co-Cr3C2-WC/Al2O3涂層的性能分析

為了進(jìn)一步提升涂層的吸收性能，采用溶膠旋涂法在性能最佳的A0吸收層表面制備Al2O3減反膜，在涂層上旋涂一層Al2O3溶膠，干燥并熱處理后得到B0涂層。由于熱噴涂涂層表面粗糙度相對(duì)較大，為了使溶膠層能夠充分覆蓋吸收層，在B0涂層的基礎(chǔ)上再旋涂一層Al2O3，熱處理后得到C0涂層。

添加減反膜后，涂層的光譜反射率如圖4所示。由圖可知，添加減反膜后的涂層在短波段的反射曲線明顯降低，在長波段的反射曲線略有上升。隨著Al2O3層的添加，復(fù)合涂層的吸收率從0.805增加到0.856，涂覆兩次Al2O3膜并且熱處理后，涂層吸收率提高到0.903，發(fā)射率降到0.278。復(fù)合涂層的品質(zhì)因子提高到3.25，具有良好的光譜選擇吸收性能。Al2O3薄膜由于折射率低，對(duì)短波段的光具有較大的透過作用，使得更多的入射光進(jìn)入到吸收層，并且通過內(nèi)部吸收層的吸收-反射-再吸收作用，進(jìn)一步提高了涂層的吸收性能。

圖5為涂覆溶膠層后的涂層表面形貌，Al2O3薄膜均勻覆蓋在Co-Cr3C2-WC吸收層上。增加了一層氧化鋁的表面仍有部分孔隙，沒有完全覆蓋住吸收層（圖5a）。而在制備兩層氧化鋁溶膠層后，涂層表面均勻致密，表面的孔隙也被完全覆蓋住，涂層表面粗糙度降到1.109 μm。Al2O3減反膜不僅提高了涂層吸收率，還改善了涂層的表面狀態(tài)，填充了涂層表面的孔隙，減小了涂層表面粗糙度，降低了發(fā)射率。

圖6為噴涂層和熱處理后涂層的截面背散射SEM圖，吸收層為層狀堆疊結(jié)構(gòu)，堆疊層之間可以發(fā)現(xiàn)明顯的界線，是典型的HVOF涂層結(jié)構(gòu)，涂層厚度約為15 μm。圖6b為C0（A0+Al2O3+熱處理）涂層的截面SEM圖，由圖可見，熱處理后涂層間的界線消失，涂層更加致密。旋涂法制備的Al2O3膜的厚度為納米級(jí)，在圖中不能明顯觀察到，但是可以看出，相較于A0涂層（圖6a），C0涂層的上表面更加平整光滑。說明涂覆Al2O3薄膜并熱處理后，涂層的表面狀況和致密度均有所改善，有利于提高涂層的光學(xué)性能。

2.5 熱穩(wěn)定性

將得到的C0涂層在大氣環(huán)境600 ℃下進(jìn)行100 h的熱處理試驗(yàn)，每隔20 h對(duì)涂層的光學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，涂層吸收率和發(fā)射率值隨熱處理時(shí)間的變化如表4所示。在熱處理60 h后，吸收率和發(fā)射率未發(fā)生明顯變化；熱處理80 h后，吸收率略微上升到0.907，發(fā)射率為0.285；100 h熱處理后，涂層吸收率上升到0.910，發(fā)射率為0.315，涂層與基體結(jié)合良好，沒有發(fā)生脫落。涂層失效標(biāo)準(zhǔn)由PC（PC= ?Δ+0.25Δ）值決定。PC值大于0.05，即表明在高溫下，性能衰退較嚴(yán)重，涂層失效[20]。在100 h熱處理后，C0涂層的PC值為0.002 25，小于0.05，說明涂層的光學(xué)性能穩(wěn)定。

表4 不同熱處理時(shí)間后C0涂層的吸收率和發(fā)射率值

Tab.4 α and ? values of C0 coating after heat treatment for different time

為了進(jìn)一步研究熱處理后涂層成分的變化，對(duì)熱處理100 h后的涂層進(jìn)行XPS分析，圖7為涂層的XPS能譜圖。圖7a為Co2p的擬合峰，778.9 eV處的峰為Co，780.8、795.6 eV處的峰對(duì)應(yīng)Co2O3，782、785.8、797.1、802.4 eV處的擬合峰對(duì)應(yīng)CoO[21]。圖7b為Cr2p的擬合峰，575.4、585.0 eV處的峰對(duì)應(yīng)Cr3C2，位于577.6、586.3 eV處的擬合峰對(duì)應(yīng)Cr2O3[22]。圖7c為W4f的擬合峰，32.2、33.5 eV處的峰對(duì)應(yīng)WC，34.5eV處的峰對(duì)應(yīng)于WO3[23]。Al2p只有一個(gè)位于74.1 eV處的擬合峰，對(duì)應(yīng)Al2O3[24]。從XPS分析結(jié)果來看，100 h熱處理后，涂層中除了有Co、Cr3C2、WC和Al2O3外，還有微量的Co3O4、Cr2O3和WO3等氧化產(chǎn)物存在，沒有發(fā)現(xiàn)脫碳產(chǎn)物。這些氧化物生成主要是因?yàn)?，在長時(shí)間大氣環(huán)境熱處理過程中，氧通過擴(kuò)散作用進(jìn)入涂層內(nèi)部，造成內(nèi)部吸收層氧化。由于表面致密的氧化鋁薄膜的存在，氧擴(kuò)散進(jìn)入涂層內(nèi)部的速度很慢，量也較少，只有很少一部分粒子發(fā)生氧化。而且生成的Co3O4、Cr2O3具有P型半導(dǎo)體性質(zhì)[25]，對(duì)太陽光具有本征吸收作用，造成吸收率上升。隨著這些氧化物緩慢地生成，涂層的發(fā)射率也會(huì)逐漸增大。但是總體而言，涂層的光選擇性吸收性能并沒有明顯衰退，仍有較好的選擇性吸收性能，表明其具有高熱穩(wěn)定性。

圖7 600 ℃大氣環(huán)境下熱處理100 h后C0涂層的XPS能譜圖

3 結(jié)論

采用超音速火焰噴涂與溶膠凝膠相結(jié)合的方法，制備了SS/Co-Cr3C2-WC/Al2O3金屬陶瓷型復(fù)合太陽能選擇性吸收涂層。通過成分的優(yōu)化以及減反膜對(duì)吸收層表面狀態(tài)和性能的改善，得到具有優(yōu)良太陽能選擇性吸收性能和高熱穩(wěn)定性的涂層。主要結(jié)論如下：

1）90Co-5Cr3C2-5WC涂層在保持一定的吸收率下，改善了涂層表面狀態(tài)，降低涂層表面均方根粗糙度，有效地減小了超音速噴涂吸收層的發(fā)射率，提高了吸收層的品質(zhì)因子（/）。

2）Al2O3薄膜優(yōu)良的減反射作用大大提高了90Co-5Cr3C2-5WC吸收層的吸收率。表面致密的Al2O3膜還起到了很好的封孔作用，改善了吸收層表面缺陷，提升了復(fù)合涂層的光學(xué)性能和服役性能。

3）結(jié)合耐高溫材料和HVOF與Sol-Gel法制備多層結(jié)構(gòu)涂層，所得到的復(fù)合涂層具有較好的光學(xué)性能，并且在600 ℃大氣環(huán)境下熱處理100 h后，仍保持穩(wěn)定的選擇吸收性能，對(duì)中高溫太陽能選擇性吸收涂層領(lǐng)域的研究具有指導(dǎo)意義。

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Preparation and Properties of Co-Cr3C2-WC/Al2O3Solar Selective Absorbing Coatings

,,,,,

(Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

The work aims to study the spectral emission and absorption properties of different Co-Cr3C2-WC absorbing layers and prepare Al2O3anti-reflection films on the surface of the absorbing layer to obtain a novel mid-high temperature cermet-based solar selective absorbing coating. The Co-Cr3C2-WC absorbing layers were deposited on the stainless steel by high velocity oxygen-fuel spraying technology (HVOF), and the components were optimized. The Al2O3anti-reflection films were then prepared on the surface of the absorbing layer by Sol-Gel method. The phase composition, elemental valence and micro-structure of the coatings were characterized by X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and scanning electron microscopy (SEM), separately. The root mean square roughness was measured by a surface roughness meter. The spectral reflectance of the coatings in the UV-Vis-NIR and far infrared bands was measured by Fourier infrared spectrometer and UV-Vis-NIR spectrophotometer, respectively. 90Co-5Cr3C2-5WC (wt.%) absorbing layer had the highest quality factor (/=0.805/0.308). In addition, the absorptance of the coating increased to 0.903, and the emittance decreased to 0.278 after Al3O2anti-reflection films were added on the surface. The coating surface was dense and uniform and the roughness was reduced to 1.109 μm. After 100 hours of heat treatment at 750 ℃ in air, the absorptance of the coating increased to 0.910 and the emittance was 0.315, indicating stable selective absorption performance. The 90Co-5Cr3C2-5WC absorbing layer effectively improves the surface state of the thermal sprayed coating and reduces the emittance of the absorbing layer while maintaining a high absorption performance. The Al2O3anti-reflection film further improves the absorptance of the composite coating by increasing the transmittance of short-wave light and sealing effect, thus enhancing the selective absorption and high-temperature serviceability. Therefore, such coating is expected to be used as a selective absorbing coating in mid-high temperature solar collector system.

Co-Cr3C2-WC/Al2O3; selective absorbing coating; optical performance; thermal stability; high velocity oxygen-fuel spraying; Sol-Gel method

2019-11-25；

2020-04-27

SHAO Hao (1995—), Male, Master, Research focus: surface engineering.

程旭東（1954—），男，博士，研究員，主要研究方向?yàn)楸砻婀こ?。郵箱：xdcheng54@163.com

Corresponding author：CHENG Xu-dong (1954—), Male, Doctor, Researcher, Research focus: surface engineering. E-mail: xdcheng54@163.com

邵豪, 曾鮮, 李擎煜, 等. Co-Cr3C2-WC/Al2O3太陽能選擇性吸收涂層制備與性能研究[J]. 表面技術(shù), 2020, 49(6): 138-145.

TG174.4

A

1001-3660(2020)06-0138-08

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.016

2019-11-25；

2020-04-27

邵豪（1995—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楸砻婀こ獭?/p>

SHAO Hao, ZENG Xian, LI Qing-yu, et al. Preparation and properties of Co-Cr3C2-WC/Al2O3solar selective absorbing coatings[J]. Surface technology, 2020, 49(6): 138-145.