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高溫太陽能吸收涂層是太陽能光熱發(fā)電的核心材料，同樣在重質(zhì)油開采、海水淡化、冬季區(qū)域性供暖以及應(yīng)對霧霾等領(lǐng)域扮演著重要角色。高溫太陽能吸收涂層應(yīng)具備高的吸收率、低的發(fā)射率和良好的熱穩(wěn)定性能。然而，太陽能光熱發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)和核心材料的欠缺，嚴重制約了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。近年來，關(guān)注度較高的金屬-電介質(zhì)復(fù)合涂層由于在高溫條件下易發(fā)生金屬氧化、擴散等問題，最終導(dǎo)致涂層光學(xué)性能衰減。如何克服上述缺點，制備性能優(yōu)異的太陽能吸收涂層，一直是新材料和能源研究領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)。
超高溫陶瓷(TiC、WC、HfC、ZrC和TiN)具有高熔點、高硬度、高導(dǎo)熱率、良好的抗氧化性和抗熱震性、中等熱膨脹系數(shù)和潛在的光譜選擇特性。近年來，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所甘肅省黏土礦物應(yīng)用重點實驗室(環(huán)境材料與生態(tài)化學(xué)研究發(fā)展中心)研究員劉剛、博士高祥虎率先在國際上開展了超高溫陶瓷基高溫太陽能光譜選擇性吸收涂層的可控制備及構(gòu)效關(guān)系研究。他們與德國亞琛工業(yè)大學(xué)教授Wolfgang Theiss合作，通過光學(xué)軟件模擬，獲取了不銹鋼、超高溫陶瓷、光學(xué)玻璃、氧化鋁等材料的光學(xué)常數(shù)，并以此為基礎(chǔ)成功模擬設(shè)計出各類超高溫陶瓷基太陽能吸收涂層。依據(jù)光學(xué)模擬結(jié)果，利用磁控濺射技術(shù)，以不銹鋼(SS)為基底，在300oC的沉積溫度下制備出了SS/TiC/Al2O3、SS/TiC-Y/Al2O3、SS/TiC-ZrC/Al2O3、SS/TiC-WC/Al2O3、SS/Al2O3(L)-WC/Al2O3(H)-WC/Al2O3、SS/TiN/Al2O3等系列高溫太陽能吸收涂層。該類太陽能吸收涂層吸收率大于0.92、發(fā)射率小于0.12，且具有良好的熱穩(wěn)定性能(大于600oC)、抗腐蝕性能和抗熱震性能。部分涂層在真空800oC的環(huán)境下具有良好的長期熱穩(wěn)定性能，是目前所報道的耐高溫性能最佳的太陽能吸收涂層之一。
研究人員利用現(xiàn)代分析表征技術(shù)，深入研究了此類涂層的構(gòu)效關(guān)系并闡明了其在高溫下光學(xué)性能衰減機理：隨著熱處理溫度的提高，過渡金屬碳化物太陽能吸收涂層的拉曼光譜中ID/IG比值逐漸升高，即sp2C含量逐漸升高，從而引起涂層表面石墨化過程的加劇，最終導(dǎo)致涂層光學(xué)性能的衰減。為抑制高溫擬合過程中sp2C含量的增加，研究人員利用雙靶共濺射技術(shù)制備出SS/TiC-ZrC/Al2O3吸收涂層。該復(fù)合陶瓷涂層具有高的吸收率(大于0.92)、低的發(fā)射率(0.11)和高的長期熱穩(wěn)定性能(700oC)。此外，研究人員在膜系設(shè)計中引入微量的稀土元素釔，通過高溫(800oC，5h)真空熱處理，最終制備出了具有微孔形結(jié)構(gòu)的超高溫陶瓷太陽能吸收涂層，其吸收率大于0.90、發(fā)射率小于0.11，在800oC高溫條件下具有良好的長期熱穩(wěn)定性能，開辟了一種新的微孔形超高溫陶瓷制備方法。同時，研究人員還制備出了紫色高溫太陽能吸收涂層(SS/TiC-WC/Al2O3)，并對其進行了色度研究，繪制了色度圖。
該研究工作提供了一種簡單且具有普適性的高溫太陽能吸收涂層制備新方法，豐富和發(fā)展了高溫太陽能吸收涂層膜系理論，揭示了涂層構(gòu)效關(guān)系，闡明了高溫下光學(xué)衰減機理，極大拓展了超高溫陶瓷在太陽能光熱發(fā)電中的應(yīng)用，為此類高溫太陽能吸收涂層的可控制備奠定了理論基礎(chǔ)，在中低溫太陽能吸收涂層研究領(lǐng)域同樣具有重要的應(yīng)用價值。相關(guān)研究成果發(fā)表在Solar Energy Materials & Solar Cells、RSC Advances、Optical Materials、Surface Engineering、Journal of Materials Engineering and Performance 等期刊上。同時申請了國家專利，申請?zhí)枺?01610418110.9，201610418136.3，201610418437.6，201610418415.X，201610424296.9，201510983832.4，201510983817.X。
該系列研究工作得到了國家自然科學(xué)基金青年基金(51402315)、中科院太陽能行動計劃、中科院修繕購置專項等項目的長期支持。
超高溫陶瓷(TiC、WC、HfC、ZrC和TiN)具有高熔點、高硬度、高導(dǎo)熱率、良好的抗氧化性和抗熱震性、中等熱膨脹系數(shù)和潛在的光譜選擇特性。近年來，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所甘肅省黏土礦物應(yīng)用重點實驗室(環(huán)境材料與生態(tài)化學(xué)研究發(fā)展中心)研究員劉剛、博士高祥虎率先在國際上開展了超高溫陶瓷基高溫太陽能光譜選擇性吸收涂層的可控制備及構(gòu)效關(guān)系研究。他們與德國亞琛工業(yè)大學(xué)教授Wolfgang Theiss合作，通過光學(xué)軟件模擬，獲取了不銹鋼、超高溫陶瓷、光學(xué)玻璃、氧化鋁等材料的光學(xué)常數(shù)，并以此為基礎(chǔ)成功模擬設(shè)計出各類超高溫陶瓷基太陽能吸收涂層。依據(jù)光學(xué)模擬結(jié)果，利用磁控濺射技術(shù)，以不銹鋼(SS)為基底，在300oC的沉積溫度下制備出了SS/TiC/Al2O3、SS/TiC-Y/Al2O3、SS/TiC-ZrC/Al2O3、SS/TiC-WC/Al2O3、SS/Al2O3(L)-WC/Al2O3(H)-WC/Al2O3、SS/TiN/Al2O3等系列高溫太陽能吸收涂層。該類太陽能吸收涂層吸收率大于0.92、發(fā)射率小于0.12，且具有良好的熱穩(wěn)定性能(大于600oC)、抗腐蝕性能和抗熱震性能。部分涂層在真空800oC的環(huán)境下具有良好的長期熱穩(wěn)定性能，是目前所報道的耐高溫性能最佳的太陽能吸收涂層之一。
研究人員利用現(xiàn)代分析表征技術(shù)，深入研究了此類涂層的構(gòu)效關(guān)系并闡明了其在高溫下光學(xué)性能衰減機理：隨著熱處理溫度的提高，過渡金屬碳化物太陽能吸收涂層的拉曼光譜中ID/IG比值逐漸升高，即sp2C含量逐漸升高，從而引起涂層表面石墨化過程的加劇，最終導(dǎo)致涂層光學(xué)性能的衰減。為抑制高溫擬合過程中sp2C含量的增加，研究人員利用雙靶共濺射技術(shù)制備出SS/TiC-ZrC/Al2O3吸收涂層。該復(fù)合陶瓷涂層具有高的吸收率(大于0.92)、低的發(fā)射率(0.11)和高的長期熱穩(wěn)定性能(700oC)。此外，研究人員在膜系設(shè)計中引入微量的稀土元素釔，通過高溫(800oC，5h)真空熱處理，最終制備出了具有微孔形結(jié)構(gòu)的超高溫陶瓷太陽能吸收涂層，其吸收率大于0.90、發(fā)射率小于0.11，在800oC高溫條件下具有良好的長期熱穩(wěn)定性能，開辟了一種新的微孔形超高溫陶瓷制備方法。同時，研究人員還制備出了紫色高溫太陽能吸收涂層(SS/TiC-WC/Al2O3)，并對其進行了色度研究，繪制了色度圖。
該研究工作提供了一種簡單且具有普適性的高溫太陽能吸收涂層制備新方法，豐富和發(fā)展了高溫太陽能吸收涂層膜系理論，揭示了涂層構(gòu)效關(guān)系，闡明了高溫下光學(xué)衰減機理，極大拓展了超高溫陶瓷在太陽能光熱發(fā)電中的應(yīng)用，為此類高溫太陽能吸收涂層的可控制備奠定了理論基礎(chǔ)，在中低溫太陽能吸收涂層研究領(lǐng)域同樣具有重要的應(yīng)用價值。相關(guān)研究成果發(fā)表在Solar Energy Materials & Solar Cells、RSC Advances、Optical Materials、Surface Engineering、Journal of Materials Engineering and Performance 等期刊上。同時申請了國家專利，申請?zhí)枺?01610418110.9，201610418136.3，201610418437.6，201610418415.X，201610424296.9，201510983832.4，201510983817.X。
該系列研究工作得到了國家自然科學(xué)基金青年基金(51402315)、中科院太陽能行動計劃、中科院修繕購置專項等項目的長期支持。
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