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干涉型Al-N-O 选择性吸收表面的研究 摘　要　利用AlN-O 选择性吸收层之间产生的干涉效应，改善吸收表面的光学性能（吸收率和发射率）。通过工艺实验确定了两种不同金属填充因子的双吸收层结构。与多层渐变吸收表面相比，双吸收层结构吸收表面具有膜系结构简单、高温下性能稳定、发射率较低等优点。吸收表面的吸收率为0.93-0.95，发射率(353 K)为0.04-0.06。关键词　有效介质理论；干涉；填充因子；磁控溅射 0引言 多层渐变Al—N—Al，Al—N—O复合材料选择性吸收涂层的研制已有10多年的历史。前者已被广泛地应用于全玻璃真空管，而后者则主要用于金属吸热体的热管式真空集热管。这类涂层靠多层吸收膜来提高吸收能力，很容易引起发射率的升高。主要原因是当多层吸收膜过厚或金属填充因子过高时，会使吸收截止波长向长波方向移动，当温度升高时，发射率的变化更加剧烈，因此，多层渐变涂层一般只能在较低温度下(～200℃)使用。由于热管式真空集热管排烤温度和工作温度都比较高，在实践中发现有些集热管涂层发生变色以至性能退化等现象。为了克服上述现象，我们对膜层的结构进行了改进。利用膜层的干涉作用，通过研究实验，采用了双吸收层结构，减少吸收层数并降低填充因子，得到满意的选择性吸收效果。 1 干涉作用与膜层设计 1.1 干涉吸收膜层结构　　采用双吸收层结构既使膜层的层数和厚度都有所降低，也降低了涂层的发射率，但同时可导致吸收率的下降。在膜层吸收系数比较低的情况下，为了保证涂层具有足够的吸收率，必须尽量利用膜层之间的干涉作用，通过调整膜层的干涉厚度和填充因子使干涉峰压低或转移到太阳能量密度较低的长波区域内。同时，在表层加减反射膜以降低可见光在吸收层与空气界面上的反射，增加吸收效果。双吸收层结构如图1所示。 图1 双吸收膜层结构示意图1. 高红外反射率金属层；2. Al—N—O吸收层（高填充因子）；3. Al—N—O吸收层（低填充因子）；4. Al—N—O介质减反射层 1.2 膜层设计　　在确定Al—N—O干涉吸收膜层厚度和填充因子时关键要知道膜层的n(折射率)，k(消光系数)值即复折射率才能进行理论计算。Al—N—O吸收膜为复合材料粒子薄膜(金属铝粒子夹杂在氮化铝及氧化铝组成的介质基体中)，至今尚未找到能够适用于任意粒子形状、直径及粒子分布状况的粒子膜的计算通式，一般都采用有效介质理论。该理论是将适用于一个粒子的无粒子直径限制的理论用于上述粒子膜的集合体上，其中包括Maxwell-Garnet (MG)理论和Bruggeman (Br)理论，分别表达如下： 　　　　　　(MG) 　　　　　　　　　　(1) 　　　　　　(Br)　　　　　　 (2) 式中，ζ,ζp,ζm分别为金属介质复合材料、金属粒子和介质基体的介电常数，与波长有关。　　当采用Bruggeman (Br)理论计算时，由于，(2) 式可表达为： 　　　　　　　　　　　　 (3) 式中，Np,Nm,N分别为金属、介质及复合材料的折射率或复折射率，均与波长有关，Nm通常为实数。　　式(3)为四次复数方程，解该方程求出膜层的n,k值后即可利用多层膜系矩阵公式进行计算，求出整个膜系的反射率(计算过程从略)。计算结果表明当吸收层铝粒子的填充因子和厚度d分别在0.20～0.40和40～100nm之间干涉效果最佳。根据计算结果即可反演寻优，指导工艺实验，取得效果理想的选择性吸收膜层。 2 实验方法 　　采用磁控反应溅射的方法制备Al—N—O复合材料吸收薄膜。衬底为60mm×60mm的不锈钢基片，清洗烘干后放入镀膜室内；依照干涉膜层结构的设计，先在基片上溅射1层铝作为红外反射层，然后通入反应气体O2及N2反应溅射生成Al—N—O；根据工艺需要通过流量计改变反应气体的流量，沉积2层不同厚度、不同填充因子的Al—N—O吸收膜层；最后适当增大反应气体流量，使膜层表面沉积1层介质态的Al—N—O减反射层。 3 实验结果与分析 3.1 膜层的吸收率和发射率　　将60mm×60mm的不锈钢基片上的Al—N—O选择性吸收涂层，用日立330分光光度计测定光谱反射率(波长范围0.2～2.5μm)，得到各种不同厚度、不同填充因子膜层组合的Al—N—O选择性吸收涂层的光谱反射率曲线，根据这些曲线积分得到大气质量AM2标准时膜层的太阳光谱吸收率α。图2是2种不同厚度、不同填充因子组合膜层的光谱反射率曲线。涂层的发射率采用美国Devices Services 公司生产的 Emissmeter Model AE检测仪测定。从测试结果可以看出，膜层厚度及填充因子的改变对反射率曲线形状影响很大，因而使α值相差很大。曲线1样品α=0.86，ε=0.04；曲线2样品α=0.95，ε=0.06。 图2 2种