论文题目ZrN基光热转换涂层优化设计及热稳定性研究.PDFVIP

文 件 名：L孟建平.doc 论文题目：ZrN基光热转换涂层优化设计及热稳定性研究 作者简介：孟建平，男，1987年出生，2013年从师于刘晓鹏教授，于 2017年1 月毕业于北京有色金属 研究总院材料科学与工程专业，并获工学博士学位。 论文摘要： 槽式太阳能热发电系统中，集热管是其核心部分，能够将太阳能转换成热能，而太阳能光刃转换涂 层是其关键组成，能够显著的提高光热转换效率。现有的涂层体系中，金属陶瓷涂层为太阳能高温利用 的主要设计体系，服役过程中，涂层中因为氮氧元素扩散导致金属和电介质氧化和涂层中亚层薄膜中元 素的扩散是导致涂层性能衰减（如吸收率下降，发射率上升）的主要原因。采用过渡金属氮化物 （TiN、CrN 和 NbN 等）代替纯金属作为吸收组元的 MeAlN 或 MeAlON （Me=Cr、Ti、Zr、Nb 和 Hf 等过渡金属）涂层能一定程度上提高涂层的抗氧化性能，但采用物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD ）制备的 MeAlN 或 MeAlON 涂层，MeAlN 或 MeAlON 吸收亚层一般形成柱状晶结 构，柱状晶结构之间存在较多的微孔和晶界等缺陷，微孔和晶界成为原子扩散的通道，降低了涂层的高 温热稳定性能。 平衡条件下，Me–Si–N （Me=Cr、Ti、Zr、Nb 和 Hf 等过渡金属）不存在任何三元稳定相，Si 与 N 形成的非晶 Si N 填充到 MeN 晶界而形成 nc–MeN/a–Si N 结构（nc–nanocrystalline，a–amorphous ）， 3 4 3 4 减少了 MeN 晶界和孔洞等缺陷，降低涂层中各个亚层之间氮氧元素的扩散，提高涂层高温热稳定性。 一定量Al 添加到MeN 中形成MeAlN 置换固溶体而形成nc–MeAlN/a–Si3N4 结构。 本文首先基于 ZrN ，ZrAlN 和 AlON 薄膜离子束辅助沉积工艺基础上，优化制备了 Cu/Zr0.3Al0.7N/Zr0.2Al0.8N/Al34O60N6 金属陶瓷涂层，研究了涂层的高温热稳定性和失效原因。在此基础 上 ， 通 过 在 ZrAlN 吸 收 层 中 引 入 硅 元 素 形 成 nc–ZrAlN/a–Si3N4 结 构 ， 优 化 制 备 了 Cu/Zr Al Si N/Zr Al Si N/Al Si O N 涂 层 ， 研 究 了 Si 元 素 对 Zr Al Si N 和 0.32 0.63 0.05 0.21 0.73 0.06 31 3 60 6 0.32 0.63 0.05 Zr Al Si N 亚层的微观结构和 Cu/Zr Al Si N/Zr Al Si N/Al Si O N 涂层热稳定性的影 0.21 0.73 0.06 0.32 0.63 0.05 0.21 0.73 0.06 31 3 60 6 响。为了开发热稳定性优异且工艺移植性好涂层，采用 ZrN 替代电介质-半透明金属叠堆涂层中半透明 金属层，设计制备了 Cu/Zr0.2Al0.8N/ZrN/AlN/ZrN/AlN/Al34O62N4 叠堆涂层，研究了其热稳定性，得到的研 究成果如下： （1）离子束辅助沉积工艺中，研究了离子-原子到达比对 ZrN 和 Al 含量对 Zr Al N 薄膜结构和光 x 1-x x 学性能的影响。ZrN 薄膜由 ZrN 和少量的 ZrO N 构成。离子-原子到达比为 1.5 制备的 ZrN 薄膜满足化 x x y x 学计量比（Zr :N =1:1 ）。离子-原子到达比为 2.4 和 5.0 时，薄膜中的 ZrN 相形成强（220 ）