制备太阳能选择性涂层的方法

《北京轻工》1988年第1期，第 30–31 页。署名单位：北京手表二厂。

原刊未印出版日期，这份刊物的出版周期也不确定，所以没有填 date：同年各篇里，它排在已知月份的那几篇之后。查到确切日期就补上。

刊于〈国外科技〉栏。文末注明：编译自《应用能源》(Applied Energy) 第十三卷第四期 P.295—312「新型的全玻璃太阳能选择吸收装置」一文。这一篇是编译，不是他自己的研究，列在这里是为著录完整。

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正文

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我国有非常丰富的能源资源，如煤、石油、天然气等。这些资源需要有计划有步骤地勘探和开采，因而需要大量资金和成熟的先进技术，需要解决这些资源的运输，以满足社会主义建设的要求〔?〕。这些能源资源是我国应用能源的主流。但我们还要从长远打算，因为这些资源总有用尽的时候，而且使用中对环境有污染。因此我们要开辟新的能源，如水力资源，风能、海潮能、地热能和太阳能等。太阳能是地球上取之不尽用之不竭的既干净又不产生污染的理想能源，不受地区的限制，因而潜力很大。在我国太阳能工作者的努力下，已研究和生产出各式太阳能热水器、太阳灶、太阳能干燥装置和太阳能电池等，为我国能源的补充和开发起了重要作用。

太阳能的利用看起来很简单。只要把一个废铁桶刷干净，放在阳台或屋顶上，再接通上下水，这便是最简单的太阳能热水器。但是事情并非很简单。就拿太阳能集热器来说，需要具有高的集热效率，需要解决吸热体的结构、工艺和材料。需要解决选择吸收表面的涂层的抗热老化、耐高温、耐腐蚀、结合力好和有优良的光学特性（具有最大吸收率和最小发射率）。

为了制造特定的选择吸收表面，各种镀覆的技术都可采用，如电镀、化学镀、化学转换、喷雾热解、化学蒸汽沉积（GVD）、物理蒸汽沉积（PVD）、直流喷镀，交流喷镀等等。由于喷雾热解和化学蒸汽沉积需要对材料基体加热而不宜采用。对在玻璃或塑料等非金属材料上制备选择吸收表面镀层，需在其上预先沉积一层金属化物质的传导层。使用化学镀技术廉价，制成的优质金属化膜附着力好。在非金属基体上先粗化、后敏化、活化，再化学镀银、铜或镍，以形成红外反射层，使选择吸收表面具有低的发射率。化学镀后再用电镀技术制备选择吸收表面。

国外镀黑镍的选择吸收镀层的吸收率达到 0.80，发射率为 0.03。在镀锌铁上化学沉积的黑镍层的吸收率为 0.90—0.93，在 100℃ 的发射率为 0.07—0.10。用阳极氧化法制备的黑铜层，在 100℃ 时的吸收率和发射率分别为 0.95 和 0.34。镀亮镍或镍钴合金后再镀黑铬的吸收率为 0.79，在温度为 20—300℃ 时的发射率为 0.04—0.06。

近年来，由于黑铬对环境温度的稳定性和优良的吸收和发射特性，黑铬选择表面得到广泛的研究。从而认识到这些表面具有超周期的高稳定度，甚至能经受恶劣的操作条件。国外报导采用哈萧化学有限公司的 Chrom-Onyx 镀液镀黑铬后的玻璃管的吸收率 ≈0.94，发射率 ≈0.08（25℃）。在钢管上先用瓦特镍打底，在氟硅酸型镀黑铬液中所得黑铬镀层的吸收率为 0.96—0.97，发射率为 0.08—0.10。国外也报导了基体先镀亮镍后再镀黑铬一组〔?〕。当 Mo/Cr 约为 0.05 时，具有 0.95 吸收率的膜层，在大气中处于 425℃ 以下时是稳定的。

在基体上制备黑铬镀层不但可用电镀技术，而且可采用真空沉积技术。国外商业上可买到的真空管式集热器的选择吸收表面是在一组流行的真空镀膜机里镀膜。古藏报导了一个蒸发给与贫氧反应的方法使蚀氧的氧化铬（CrOx）膜淀积于有银反射膜的串联式薄膜吸收装置。吸收质淀积于磨光的熔凝石英玻璃基体上。在 10⁻⁵ 毛真空度下，99.999% 的纯银从电阻热源里蒸发，淀积出 1000 Å 厚的银反射薄膜。保持真空，另一组电阻热源里蒸发与贫氧化反应之铬在银膜上淀积出 800—1000 Å 厚的 CrOx 膜。蒸发时允许空气通过一个控制阀漏使总压维持在 2×10⁻⁴ 毛左右。接着在全串联的吸收装置上用电子束蒸发硅至 CrOx 膜上，使淀积出一层 500 Å 厚的 SiO₂ 膜。由 SiO₂—CrOx—Ag 组成的串联式薄膜吸收装置，在 600℃ 的吸收率为 27.4%，发射率为 5.7%。

喷镀是一种制造结合力强的、温度电阻式选择性太阳能吸收装置的有效技术。反应式喷镀技术和近代磁控式直流喷镀技术已经在国外得到广泛应用。磁控式喷镀技术为选择表面的大规模生产提供了方便前景。在印度奥斯特利亚，斯德利大学太阳能集团已成功地采用圆柱式磁控系统对玻璃管进行间隙式镀膜。用此设备获得的吸收率为 0.94，发射率为 0.030。用改进后的「奥斯特利亚」系统在镀膜机里能够镀 1.5 米长，22—30 毫米直径的玻璃管。20 根玻璃管喷镀一次仅需一小时。在一组三头式移动床中，该系统每天少说也能够喷镀 500 根玻璃管。喷镀程序包括把玻璃管放在 500℃ 的干燥空气中予烘烤，籍以减少表面污染和有利于快速抽真空。

比起其他制备选择吸收表面镀层的方法，圆柱式磁控喷镀系统具有以下优点：

（1）提供大量生产的前景。

（2）效率高，廉价和简单。

（3）大规模生产中不产生废气和废液，因而无污染。

（4）可用不同电极材料和反应气体组合制造出多种太阳能选择镀层。

（5）不导电的玻璃和导电的金属均能镀覆，无论管状或条状同具等效性，因而优于电镀工艺。

（6）不象化学蒸汽沉积和喷雾热解技术那样，基体不需加热。所以玻璃管也能够镀覆。

（7）在升温过程中镀出牢固的高质量的选择吸收镀层。

（8）镀层附着力强，不受重复热循环的影响。

（9）在大面积上获得均匀的镀层。

（10）不象其他镀层，当熔融有盖管的吸收质管时，用此技术所制备的金属碳化物层不受损伤。

磁控式喷镀系统可以大量而稳定地制造附着于玻璃管上的选择镀层，与采用间隙式真空镀膜机大量生产的镀铬法相比很有希望。一台磁控式喷镀设备很昂贵，但设备安装后的喷镀费用都很平常，而且能获得优质镀层。因此在制造选择吸收装置镀层方面，磁控式喷镀系统最受欢迎。

实用喷镀技术可开发出大量的镀层，金属碳化物如碳化铁和碳化镍；氧化钨，金属硅化物；金属氮化物；铁硅氧化物；铜铝氧化物和 Al₂O₃+An；Al₂O₃+Cu，CaF₂+Si，CaF₂+Ge，Cr₂O₃+Cr，以及 MgO+Au。这些用于太阳能集热器里的镀层视需要选用，非常方便。

斯德利大学物理研究所的哈丁等人广泛地研究了喷镀层及其关联的热劣化、热循环、氨渗入真空管的现象以及不同真空度下热损失的影响。他们的工作为发展更有效的喷镀太阳能选择吸收装置打下了良好基础。

我国幅员辽阔，太阳能资源相当丰富。发展普及型的太阳能集热器以适应我国城乡居民家庭的需要。可以预计，价格低廉、易安装的闷晒式热水器将会进入家庭。但我们也要着眼于未来，使太阳能集热器向高档次发展，使其在高温下具有高的效率、大的集能容量，以在工业热过程、抽取地下水、小型电站、空气调节和致冷等方面大显身手。在这方面制备出优质太阳能选择性镀层就有必要。

原刊文末署：北京手表二厂　杨桂林。并注明「编译自《应用能源》第十三卷
第四期 P.295—312『新型的全玻璃太阳能选择吸收装置』一文」。
这一篇是他的编译稿，刊在〈国外科技〉栏，不是他自己的研究 —— 见本页上方的说明。