專利名稱：大面積柔性金屬基底高吸熱金屬陶瓷復合膜連續制備方法
技術領域：
本發明涉及一種大面積柔性金屬基底高效吸熱型金屬陶瓷復合膜連續制備方法， 尤其涉及金屬陶瓷復合膜中吸收層的一次連續制備方法，屬于表面工程技術領域。
背景技術：
太陽能選擇性吸收膜，具有高的吸收發射比，可以提高太陽能光熱轉換效率。柔性金屬基底上的金屬陶瓷復合膜，是一種太陽能選擇性吸收膜，它高效吸熱，在太陽能熱利用等領域具有廣闊的應用前景。但目前，國內太陽能選擇性吸收膜采用電鍍、磁控濺射等方法制備，電鍍法鍍制的產品性能不及磁控濺射鍍制的太陽能選擇吸收膜，且會產生電鍍費液污染。而國內的磁控濺射生產線為國外引進，生產的太陽能選擇吸收膜的吸收層為多層結構，需要多次鍍制，工藝復雜。經查證，太陽能選擇吸收膜的吸收層為一次連續卷繞鍍制并使其中的金屬微粒體積分數在介質中呈連續梯度分布的金屬陶瓷吸收膜層的方法，在國內外專利中均未有記載。

發明內容
本發明提供一種大面積柔性金屬基底高效吸熱金屬陶瓷復合膜連續制備方法，使所述金屬陶瓷復合膜中的金屬陶瓷吸收膜層可一次連續卷繞鍍制而成，而且其中的金屬微粒體積分數在介質中呈連續梯度分布。為此，采用如下技術方案實現一種大面積柔性金屬基底高吸熱金屬陶瓷復合膜連續制備方法，具體步驟如下
步驟一、對柔性金屬基底進行清洗活化；
步驟二、在通過步驟一處理的柔性金屬基底上，鍍制金屬反射膜層； 步驟三、在鍍制好的金屬反射膜層上，一次連續鍍制梯度M-Al2O3金屬陶瓷膜層；在鍍制過程中，設置金屬M靶和Al靶，采用雙靶共濺射的形式，采用直流磁控濺射方式進行金屬M的鍍制；采用脈沖反應磁控濺射方式鍍制Al2O3 ；濺射用氣體為氬氣，反應氣體為氧氣； 氬氣通至金屬M靶面，氧氣通至金屬Al靶面；柔性金屬基底卷繞走帶先通過金屬M靶，再通過Al靶，使金屬M粒子在Al2O3介質基體中的含量從金屬陶瓷與金屬分界面向金屬陶瓷表面呈梯度減少；所述金屬M為Mo、Mn、Al、Au、Pt、Cu或SS ；
步驟四、在所述M-Al2O3金屬陶瓷膜層之上，鍍制減反層Al2O3膜作為外層膜。本發明采用雙靶共濺射的工藝實現了太陽能選擇吸收膜的吸收層為一層且一次連續卷繞鍍制而成的方法，并且其中的金屬微粒體積分數在介質中呈連續梯度分布而形成一種新的金屬陶瓷復合膜。該金屬陶瓷復合膜具有高吸收發射比和高效吸熱的性能。本發明的膜層參數可控制，并首次實現了航天器用柔性高效吸熱型熱控薄膜產品化。


圖1為本發明金屬陶瓷復合膜的結構示意圖； 圖2為本發明鍍膜裝置示意圖。
具體實施例方式下面對本發明的優選實施方式作進一步詳細說明。本發明所述柔性金屬基底包括銅、鋁、不銹鋼等材料，所述金屬M為金屬Mo、Mn、 Al、Au、Pt、Cu或SS，該金屬M與Al2O3組成的任一 M- Al2O3膜層與所述柔性金屬基底的任意組合均可以采用本發明的方法達到同樣的效果；但本實施例僅以大面積制備柔性鋁基底高效吸熱型Mo- Al2O3金屬陶瓷復合膜為例。本實施例的制備過程是在真空室中的0. 5m幅寬的磁控卷繞鍍膜裝置上進行的， 如圖2所示，該裝置包括放卷輥1，過渡輥3，檔板4，鍍膜輥5，收卷輥6，金屬Mo靶7、金屬 Al靶8以及輝光源9。將柔性鋁基底2 —端卷繞在磁控卷繞鍍膜設備的放卷輥1上后再依次經過過渡輥3及鍍膜輥5，最后卷繞在收卷輥6上。本實施例中的柔性鋁基底高效吸熱型M0- Al2O3金屬陶瓷復合膜，是由柔性鋁基底 13、底層高反射Al金屬層12、作為吸收層的梯度Mo- Al2O3金屬陶瓷膜層11、作為減反層的 Al2O3介質層10構成的復合膜組成，如圖1所示；該復合膜是一種太陽能選擇性吸收薄膜， 它高效吸熱，紅外發射率低。大面積柔性鋁基底高吸熱Mo- Al2O3金屬陶瓷復合膜連續制備方法，具體步驟為 步驟一、對0. 1 0. 5mm厚的柔性鋁基底通過輝光等離子體進行清洗活化提高鍍制膜
層的附著力；具體將0. 1 0. 5mm厚的鋁基底卷繞在磁控卷繞鍍膜裝置上，磁控卷繞鍍膜裝置走帶張力為1 1. 5N，輝光源和鍍膜輥間的距離為10cm，鍍膜輥溫度保持在15 20°C。清洗活化時，將真空室本底真空抽至3X10_3Pa，通入純度99. 99%的氬氣，氬氣流量為 10 lkccm，使真空室真空度為hio—1 3x10^^1。此時，在輝光源與真空室之間加電壓， Al靶和Mo靶不加電壓。調節電源電壓為250 350V、電流為1 3A和功率為300 900W， 收卷輥線速度保持在3 lOmm/s，進行清洗活化。步驟二、在經清洗活化后的鋁基底上，采用直流磁控濺射方式鍍制具有高反射低發射特性的金屬反射膜層即Al膜層作底層膜，增強干涉吸收的效果。先將真空室抽真空至3X10_3Pa，調節純度為99. 99%的氬氣流量為10 15sCCm，使真空室真空度為hio—1 βχ ο-1!^。對所述金屬Al靶加電壓，金屬Mo靶和輝光源不加電壓；鍍制時基底走帶速度為 20 30cm/min，走帶張力為1 1. 5N，工作氣體為純度99. 99%的氬氣，濺射氣體壓強為 3乂10_中￡1，濺射靶材為純度為99. 99%的Al靶，濺射功率為1000W。步驟三、在鍍制好的Al膜層之上，連續鍍制梯度Mo-Al2O3金屬陶瓷膜層。在鍍制過程中，設置金屬Mo靶和Al靶，采用雙靶共濺射的形式，所述金屬Mo靶和Al靶兩靶與鍍膜輥的距離均為10cm，金屬Mo靶面與鍍膜輥平行；濺射用氣體為純度 99. 99%的氬氣，反應氣體為純度99. 99%的氧氣；氬氣通至金屬M靶面，氧氣通至金屬Al 靶面；鍍膜時基底先通過金屬Mo靶，再通過Al靶，走帶張力控制為3 6N，卷繞輥線速度為4 lOcm/min，使金屬Mo粒子在Al2O3介質基體中的含量從金屬陶瓷與金屬分界面向金屬陶瓷表面呈梯度減少；得到M-Al2O3金屬陶瓷膜層；
5工藝條件為將真空室本底真空抽至3xlO_3Pa，調節氬氣流量為8 lkccm，氧氣流量為4 Ssccm，使真空室真空度保持為3 X KT1 5 X KT1Pa ；不對柔性鋁基底加熱，使其處于自然溫升狀態；
此時，對金屬Mo靶和Al靶加電壓，輝光源不加電壓；
應用直流磁控濺射進行金屬Mo的鍍制濺射采用純度為99. 99%金屬Mo靶，金屬Mo靶為5600mm χ 80mm的長條形；調節金屬Mo靶和柔性金屬基底之間的距離為IOcm ；打開濺射電源，電壓施加在金屬Mo靶和真空室之間，待起輝后調節電源電壓為200 400V，電流為 1 2A,功率為200 800W ；
應用脈沖反應磁控濺射鍍制A1203 濺射采用純度為99. 99%金屬Al靶，金屬Al靶為 5600mm χ 80mm的長條形，調節Al靶和柔性金屬基底之間的距離為IOOmm ；打開濺射電源， 電壓施加在金屬Al靶和真空室之間，待起輝后調節電源電壓為200 400V，電流為2 4A， 功率為500 1500W，濺射脈沖頻率5 20KHz。調節和控制走帶速度，分別控制兩個靶的功率，鍍制出的Mo- Al2O3金屬陶瓷膜的厚度和體積分數可以調節。步驟四、在M0-Al2O3金屬陶瓷膜層之上，鍍制具有減反射作用的Al2O3膜，起到降低薄膜的鏡反射光能損失，增強選擇性吸收效果的作用。將真空室本底真空抽至3X10_3Pa ；調節純度為99. 99%的氬氣流量為6 lOsccm， 純度為99. 99%的氧氣流量為4 6SCCm，使真空室真空度為3X10—1 SXKT1Pa ；此時， 對Al靶加電壓，金屬Mo靶和輝光源不加電壓，調節電源電壓為200 400V，電流為1. 5 2. 5A,功率為500 900W，溉射脈沖頻率5 20KHz ；
上述過程中，走帶張力控制在3 6N，卷繞輥線速度為8 14cm/min。
權利要求
1.大面積柔性金屬基底高吸熱金屬陶瓷復合膜連續制備方法，其特征在于具體步驟如下步驟一、對柔性金屬基底進行清洗活化；步驟二、在通過步驟一處理的柔性金屬基底上，鍍制金屬反射膜層；步驟三、在鍍制好的金屬反射膜層上，連續鍍制梯度M-Al2O3金屬陶瓷膜層；在鍍制過程中，設置金屬M靶和Al靶，采用雙靶共濺射的形式，采用直流磁控濺射方式進行金屬M的鍍制；采用脈沖反應磁控濺射方式鍍制Al2O3 ；濺射用氣體為氬氣，反應氣體為氧氣；氬氣通至金屬M靶面，氧氣通至金屬Al靶面；柔性金屬基底卷繞走帶先通過金屬M靶，再通過Al 靶，使金屬M粒子在Al2O3介質基體中的含量從金屬陶瓷與金屬分界面向金屬陶瓷表面呈梯度減少；所述金屬M為金屬Mo、Mn、Al、Au、Pt、Cu或SS ；步驟四、在所述M-Al2O3金屬陶瓷膜層之上，鍍制減反層Al2O3膜作為外層膜。
2.如權利要求1所述的連續制備方法，其特征在于所述清洗活化采用輝光等離子體活化工藝，對柔性金屬基底通過輝光等離子體進行清洗活化時，將柔性金屬基底卷繞在磁控卷繞鍍膜裝置上，磁控卷繞鍍膜裝置走帶張力為1 1. 5N，輝光源和鍍膜輥間的距離為 10cm，鍍膜輥溫度保持在15 20°C ；清洗活化時，將真空室本底真空抽至3xlO_3Pa，通入氬氣的流量為10 15sccm，使真空室真空度為2X10—1 Sxlir1Pa ；此時，在輝光源與真空室之間加電壓，所述Al靶和金屬M靶不加電壓；調節電源電壓為 250 350V、電流為1 3Α和功率為300 900W，收卷輥線速度保持在3 10mm/s，進行清洗活化。
3.如權利要求1所述的連續制備方法，其特征在于采用直流磁控濺射方法在活化后的柔性金屬基底上鍍制所述金屬反射膜層，先將真空室抽真空至3xlO_3Pa，調節氬氣流量為 10 15sccm，使真空室真空度為2x1ο-1 3xlO_1Pa ；對所述金屬Al靶加電壓，所述金屬M靶和輝光源不加電壓；鍍制時，基底走帶速度為 20 30cm/min，走帶張力為1 1. 5N，工作氣體為氬氣，濺射氣體壓強為SxKT1Pa,濺射靶材為Al靶，濺射功率為1000W。
4.如權利要求1所述的連續制備方法，其特征在于所述連續鍍制梯度M-Al2O3金屬陶瓷膜層時，所述金屬M靶和Al靶兩靶與鍍膜輥的距離均為10cm，金屬M靶面與鍍膜輥平行； 濺射用氣體為氬氣，反應氣體為氧氣；氬氣通至金屬M靶面，氧氣通至金屬Al靶面；鍍膜時基底先通過金屬M靶，再通過Al靶，走帶張力控制為3 6N，收卷輥線速度為4 IOcm/ min，使金屬M粒子在Al2O3介質基體中的含量從金屬陶瓷與金屬分界面向金屬陶瓷表面呈梯度減少；工藝條件為將真空室本底真空抽至3xlO_3Pa，調節氬氣流量為8 15sCCm，氧氣流量為4 Ssccm，使真空室真空度保持為3 X ICT1 SXliT1Pa ；不對柔性金屬基底加熱，使其處于自然溫升狀態；此時，對金屬M靶和Al靶加電壓，輝光源不加電壓；應用直流磁控濺射進行金屬M的鍍制調節金屬M靶和柔性金屬基底之間的距離為 IOcm ；打開濺射電源，電壓施加在金屬M靶和真空室之間，待起輝后調節電源電壓為200 400V,電流為1 2A,功率為200 800W ；應用脈沖反應磁控濺射鍍制Al2O3 調節Al靶和柔性金屬基底之間的距離為IOcm ；打開濺射電源，電壓施加在金屬Al靶和真空室之間，待起輝后調節電源電壓為200 400V，電流為2 4A，功率為500 1500W，濺射脈沖頻率5 20KHz。
5.如權利要求1所述的連續制備方法，其特征在于鍍制所述減反層Al2O3膜時，將真空室本底真空抽至3xlO_3Pa ；調節氬氣流量為6 lOsccm，氧氣流量為4 6sCCm，使真空室真空度為3 X KT1 SXKT1Pa ；此時，對Al靶加電壓，金屬M靶和輝光源不加電壓，調節電源電壓為200 400V，電流為1. 5 2. 5A，功率為500 900W，濺射脈沖頻率5 20KHz ； 上述過程中，走帶張力控制在3 6N，收卷輥線速度為8 14cm/min。
全文摘要
一種大面積柔性金屬基底高吸熱金屬陶瓷復合膜連續制備方法是對柔性金屬基底通過輝光等離子體進行清洗活化后鍍制金屬反射膜層；在鍍制好的金屬反射膜層上，連續鍍制梯度M-Al2O3金屬陶瓷膜層；在所述M-Al2O3金屬陶瓷膜層之上，鍍制減反層Al2O3膜作為外層膜。本發明采用雙靶共濺射的工藝實現了太陽能選擇吸收膜的吸收層為一層且一次連續卷繞鍍制而成的方法，并且其中的金屬微粒體積分數在介質中呈連續梯度分布而形成一種新的金屬陶瓷復合膜。該金屬陶瓷復合膜具有高吸收發射比和高效吸熱的性能。
文檔編號C23C14/35GK102358937SQ20111035471
公開日2012年2月22日 申請日期2011年11月10日 優先權日2011年11月10日
發明者馮煜東, 王志民, 王藝, 趙慨, 速小梅 申請人:中國航天科技集團公司第五研究院第五一○研究所