高温高熵合金太阳光谱选择性吸收薄膜的制备和光热转化机理

Solar energy is a kind of clean and renewable energy, solar thermal conversion is a form of direct use of solar energy, solar selective absorbing coating is the media to directly convert solar energy, and improving the conversion efficiency of solar energy has been the focus of the use of solar energy. Therefore, the development of stable high performance high-temperature solar selective coatings is particularly important. Multi-component high-entropy alloy and its nitrogen / oxygen cermet material, because of its unique composition ratio, structure and high entropy of mixing, has a high thermal stability, high antioxidation properties and sluggish diffusion effect, they could be considered as the potential candidate materials for the field of solar thermal conversion coating. In this project, firstly, we will design the structure and membrane system of the high-entropy alloy cermet solar selective absorption coating by selecting the appropriate high-entropy alloy system based on the preliminary calculation and analysis. Secondly, and the solar selective absorption coating (MoNbZrTiAlOxNy or MoNbZrTiAl-ceramic composites) are deposited on different substrates by direct current (DC) and radio frequency (RF) magnetron sputtering method with a mixed atmosphere of nitrogen and argon, and the microstructure and properties of the film were analyzed by experimental equipment and method, including: XRD, SEM, TEM, nano-indentation technique, ultraviolet - visible - near infrared spectrophotometer. By analyzing the influence factors of the optical properties and thermal stability of the coating, the method of improving the optical properties and high temperature stability of the coating could be investigated. The research results will provide the guidance for the development of stable high performance high-temperature solar selective absorption coatings.

太阳能是一类清洁的可再生能源，光热转化是直接利用太阳能的一种形式，太阳能选择性吸收涂层是直接将太阳光光能进行转换的媒介，提高太阳能的转化效率一直是太阳能热利用的重点。因此，开发高温稳定的高性能的太阳能选择吸收涂层就显得尤为重要。多组元的高熵合金及其氮/氧金属陶瓷材料由于其特有的组分比、结构和高的混合熵，因而具有高的热稳定性、高的抗氧化性能、缓慢扩散性能等优异的性能，使得其在光热转化领域存在潜在的应用。本课题拟在前期分析计算的基础之上，通过选择合适的高熵合金体系，设计出高熵合金金属陶瓷太阳能选择吸收涂层的结构和膜系。随后采用真空磁控溅射技术，制备出光热转换用太阳能选择吸收MoNbZrTiAlOxNy或MoNbZrTiAl-陶瓷复合材料涂层，并研究其结构和性能。通过分析涂层光学性能和热稳定性的影响因素，得到提高涂层光学性能以及高温稳定性的方法。研究结果将为太阳能热发电技术解决关键技术难题。

本项目自2017年启动以来，张勇教授课题组针对高熵合金薄膜的组织、结构及性能开展了深入研究。在高熵合金及其氮化物陶瓷涂层材料的高温热稳定性、光热性能、高通量技术及高熵薄膜成分的高效设计方面均取得了长足发展，加深了对高熵合金薄膜的高温性能及光热性能机制的认识，关于高熵薄膜的成分设计、高通量制备及性能方面的研究达到国际领先水平。基于前期对高熵薄膜及高熵陶瓷薄膜的制备工艺及成分设计的深入理解的基础上，本课题组率先开展了适用于高熵合金薄膜的高通量制备及筛选技术，并成功应用于光热领域的高熵薄膜的成分设计及性能筛选，取得了出色的研究成果；此外，创新设计出成分梯度高熵氮化物涂层，实现了适用于光热吸收涂层的高性能、高强度光热吸收涂层的创新设计，具有非常大的发展潜力。针对高性能、高效率的光热吸收高熵合金薄膜，主要开了NbTiAlSiN系、NbTiAlSiWN系及WTaFeCrV系高熵合金/陶瓷薄膜；高熵涂层均展现出了优异的高温稳定性、高强度、高模量及高的光吸收率，具有工业应用潜力。四年来，课题组发表SCI论文20余篇，其中不乏Prog. Mater. Sci., Acta Mater., Acs. Comb. Sci., Scripta Mater., 等领域内顶级期刊，出色完成了基金的既定任务，课题负责人多次作为会议主席，主办了国际高熵合金会议、国际材联亚洲材料会议、中国材料学会等国内外学会会议，显著提升了课题组在相关领域的显示度和影响力。.项目执行期间，课题组已培养研究生9名，含硕士研究生5名，博士研究生4名，且培养的研究生毕业后均继续从事科学研究工作。四年来，课题组成员参加学术会议40余人次，其中出境交流达14人次，极大拓展了团队成员的学术视野，并提高了在相关领域的影响力；其中出境联合培养博士（含已获得联合培养资格）博士生3人次。