太陽(yáng)能利用

    隨著人類的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步,能源危機(jī)越發(fā)嚴(yán)重,故對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)研究與利用是當(dāng)務(wù)之急.太陽(yáng)能是一種取之不盡用之不竭的新能源,為世界年耗資源總能量的1萬(wàn)多倍,并能很好地把人類利用"過(guò)去資源"的習(xí)慣轉(zhuǎn)變?yōu)槔?quot;當(dāng)下資源".

    由于太陽(yáng)能熱利用的需求日益增加,新型中高溫金屬陶瓷光譜選擇吸收涂層已經(jīng)成為目前研究的熱點(diǎn).性能優(yōu)異的太陽(yáng)能吸收涂層具有高的可見(jiàn)光吸收率、低的紅外光發(fā)射率,能把能量密度低的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為能量密度高的熱能,提高太陽(yáng)能熱利用的效率.

    根據(jù)光譜選擇吸收涂層的作用機(jī)理可知,金屬陶瓷光譜選擇性吸收涂層是太陽(yáng)能熱利用的核心材料,如何高效率地將吸收的太陽(yáng)輻射能以熱的形式傳遞是太陽(yáng)能熱利用的關(guān)鍵問(wèn)題之一.全面研究復(fù)合材料薄膜的傳熱特性對(duì)于綜合調(diào)控光熱轉(zhuǎn)換性能以及提高熱利用率具有至關(guān)重要的意義.

    1 理論預(yù)測(cè)模型和方法

    預(yù)測(cè)太陽(yáng)能光譜選擇性吸收薄膜復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的模型和方法主要包括:早期的Maxwell模型、Bruggeman模型,以及現(xiàn)在應(yīng)用比較多的Agari模型、當(dāng)量法、比等效熱阻法、熱阻網(wǎng)絡(luò)法等.但預(yù)測(cè)薄膜導(dǎo)熱系數(shù)過(guò)程復(fù)雜,不同的情況要考慮不同的因素,故選擇不同的模型和方法時(shí),得到的預(yù)測(cè)結(jié)果精度往往也有所不同.

    2 制備方法

    薄膜制造時(shí)往往會(huì)存在諸如氣孔、裂紋等缺陷,嚴(yán)重影響復(fù)合材料薄膜的傳熱.了解不同制備工藝和特點(diǎn)更有助于研究薄膜傳熱工作的開(kāi)展.現(xiàn)在對(duì)薄膜制造的研究主要是從原理上研究新的制作方法,或者是對(duì)原有的制作方法進(jìn)行改進(jìn).薄膜的制造方法又分為化學(xué)方法和物理方法,下面將對(duì)常用的薄膜制造方法進(jìn)行介紹.其中前3種為化學(xué)方法,后3種為物理方法.

    2.1 化學(xué)氣相沉積

    化學(xué)氣相沉積法 (CVD)是一種較傳統(tǒng)且應(yīng)用廣泛的化學(xué)鍍膜方法,它將一種或多種化合物氣化后,經(jīng)過(guò)一定的化學(xué)反應(yīng),將所需的材料沉積在基板上,其制備過(guò)程一般分為:反應(yīng)物的輸運(yùn)過(guò)程、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和去除反應(yīng)副產(chǎn)品過(guò)程,可以沉積單質(zhì)膜、復(fù)合膜.該方法生產(chǎn)簡(jiǎn)單,成本低廉,所制備的薄膜吸收率和發(fā)射率一般在0.9和0.1左右.

    2.2 電鍍

    常用的電鍍涂層主要有黑鎳涂層、黑鉻涂層、黑鈷涂層等,利用電鍍的方法將具有光譜選擇性吸收的金屬鍍?cè)诨迳?使涂層具有良好的光學(xué)性能.電鍍是電流通過(guò)導(dǎo)電液(電解液)中的流動(dòng)而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),最終在陰極上(電解)沉積某一物質(zhì)的過(guò)程,只適用于在導(dǎo)電的基片上沉積金屬和合金.在水溶液中,離子在陰極形成薄膜的過(guò)程主要有:(1)去氫;(2)放電;(3)表面擴(kuò)散;(4)成核、結(jié)晶.

    電鍍法制備的薄膜性質(zhì)取決于電解液、電極和電流密度,所獲得的薄膜大多是多晶的,這種方法的優(yōu)點(diǎn)是薄膜生長(zhǎng)速率快,基片可以是任意形狀的,但是電鍍過(guò)程難以控制.李劍虹等[38]利用交流電陽(yáng)極氧化方法電鍍制備黑鎳涂層,涂層的吸收率達(dá)到0.93,200℃加熱2h性能保持不變.另外,Bayati等通過(guò)電化學(xué)方法制備的多孔Al2O3-TiO2涂層吸收率達(dá)到0.99,發(fā)射率僅為0.06.

    2.3 溶膠-凝膠法

    溶膠-凝膠法是一種溫和的材料制作方法,采用適當(dāng)?shù)慕饘冫}在適當(dāng)?shù)娜芤褐兴狻⒖s聚形成溶膠-凝膠,在一定溫度下結(jié)晶就可以得到金屬氧化物薄膜.溶膠-凝膠法的特點(diǎn)是:

    組分均勻、成分容易控制、制膜均勻、對(duì)基體形狀要求很低且能制備大面積的膜、生產(chǎn)周期短、成本低.Orel等制得了CoMnCuOx黑色薄膜,不僅使涂層的吸收率接近0.9,而且還保持了較低的0.05發(fā)射率.

    2.4 真空蒸發(fā)

    真空蒸發(fā)沉積薄膜具有簡(jiǎn)單便利,成膜速度快、高效的特點(diǎn),是薄膜制備中使用最廣泛的技術(shù),但存在薄膜與基片結(jié)合較差、工藝重復(fù)性不好的缺點(diǎn).該方法是在真空環(huán)境下給待蒸發(fā)物提供足夠的熱量以獲得蒸發(fā)所須的蒸汽壓,在適當(dāng)?shù)臏囟认?蒸發(fā)粒子在基片上凝結(jié),即可實(shí)現(xiàn)真空蒸發(fā)薄膜沉積.

    真空蒸發(fā)沉積由3個(gè)部分組成:蒸發(fā)原材料由凝聚相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?在蒸發(fā)源與基片之間蒸發(fā)粒子的輸運(yùn);蒸發(fā)粒子到達(dá)基片后凝結(jié)、成核、長(zhǎng)大、成膜.慕尼黑大學(xué)Scholkopt采用電子束蒸發(fā)方法沉積制備出的TiNOx選擇性吸收涂層已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,可耐375℃的高溫,并且具有較高的光譜吸收選擇性,其吸收率為0.95,發(fā)射率為0.05,因?yàn)槭沁B續(xù)鍍膜,工藝成本較低.

    2.5 濺射

    在某一溫度下,如果固體或液體受到適當(dāng)?shù)母吣芰Ｗ?通常為離子)的轟擊,則固體或液體中的原子通過(guò)碰撞有可能獲得足夠的能量從表面逃逸,這種將原子從表面發(fā)射出去的方式稱為濺射.

    與其它物理方法相比,濺射的沉積速度較低,基片會(huì)受到等離子體的輻照等作用而產(chǎn)生溫升,但是濺射所獲得的薄膜與基片結(jié)合較好,且純度高,致密性好,技術(shù)可重復(fù)性好[43].一般的濺射裝置有三極濺射、輝光放電直流濺射、磁控濺射、射頻濺射、對(duì)靶濺射、離子束濺射和交流濺射等.該法制備的涂層吸收率約為0.9以上,發(fā)射率在0.08左右.

    2.6 離子束與離子助

    現(xiàn)階段已有離子鍍、離子束濺射、離子束沉積等技術(shù)

    被先后開(kāi)發(fā)出來(lái),這些沉積技術(shù)通過(guò)增加離子動(dòng)能或通過(guò)離化來(lái)提高化學(xué)活性,具有薄膜與基片結(jié)合良好、在低溫下可實(shí)現(xiàn)外延生長(zhǎng)、形貌可改變、可合成化合物等優(yōu)點(diǎn).

    3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法

    研究薄膜的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法主要包括以下幾種,前3種為光加熱法,后4種為電加熱法.

    3.1 光熱反射法

    3.2 閃光法

    3.3 時(shí)域熱反射法

    3.4 3ω 方法

    3.5 靜態(tài)法

    3.6 雙橋法

    3.7 熱絲法

    4、展望

    光譜選擇性吸收薄膜是太陽(yáng)能集熱器光能轉(zhuǎn)化為熱能的核心器件,其傳熱性能不可忽略.將所有相關(guān)因素都考慮在內(nèi)來(lái)推導(dǎo)復(fù)合材料的等效導(dǎo)熱系數(shù)是非常困難的.

    受界面熱阻的影響,材料的導(dǎo)熱率隨金剛石含量的增加反而下降.在顆粒狀彌散相復(fù)合材料中,存在大量顆粒與基體接觸的界面,基體與填充顆粒之間的接觸熱阻才是材料內(nèi)部熱阻的主要來(lái)源.,引起界面熱阻的主要原因有兩方面:

    (1)由氣孔、缺陷、裂縫、粗糙度引起的表面形貌不平整等因素而導(dǎo)致兩接觸表面的實(shí)際接觸面積遠(yuǎn)小于名義接觸面積,以致熱流收縮及間隙中第三相的存在,從而產(chǎn)生界面接觸熱阻;

    (2)由于不同類型的能量子之間發(fā)生耦合或者其在晶體表面及晶界處發(fā)生散射、反射、輻射等,從而引起界面接觸熱阻,如金屬陶瓷復(fù)合材料.金屬是電子、聲子傳熱機(jī)制,陶瓷是聲子傳熱機(jī)制,聲子和電子在界面處交換能量時(shí),首先發(fā)生臨近界面處金屬自身的電子-聲子耦合,電子將能量轉(zhuǎn)移給聲子,然后發(fā)生界面處的聲子-聲子耦合,每種耦合都會(huì)導(dǎo)致熱量衰減,從而引起界面接觸熱阻.

    迄今為止,還沒(méi)有令人滿意的理論模型可以預(yù)測(cè)各種狀況的接觸熱阻,也沒(méi)有實(shí)驗(yàn)研究求得可靠的經(jīng)驗(yàn)公式,研究難度很大,勢(shì)必是未來(lái)研究的熱點(diǎn)之一.

責(zé)任編輯：周婭

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