真空镀膜技术介绍(殷志强讲课幻灯片)

2007年世界太阳能集热器安装量2830万m2，中国2300万m2，约占世界81.3%,光谱太阳选择性吸收涂层,1、维恩（Wien）定律，1891年，用热力学推出黑体辐射的峰值波长max与绝对温度T关系maxT=2897.6(K)max(6000K)=0.48太阳辐射达地面的光谱试算max80,150,250,一、传热学有关基础,2、普朗克(Planck)定律，1900年，用量子力学，揭示了黑体辐射光谱规律黑体辐射力与T(K)及波长关系E(,T),T微米E(,T)黑体温度为T时的单色辐射力(W/m2)，辐射力，单位时间内，物体的每单位面积向半球空间所发射全波长的总能量W/m2，（功率密度，辐照度有同量纲）；,将E(,T)对波长求极值得到Wien表达式,假定入射到固态块材物体表面的辐射能为Qi,Qi,Q,Q,Q,3、入射到固态块材物体表面的辐射能,根据能量守恒定律R1分别称为单色吸收比，单色反射比和单色透射比R1式中=Q/QiR=QR/Qi=Q/Qi分别称为吸收比，反射比和透射比01R,物体对太阳的平均吸收比，简称太阳吸收比=物体吸收的投射在它上面的太阳辐照度/太阳辐照度=G/GG物体吸收的太阳辐照度G太阳辐照度(W/m2),绝对黑体简称黑体，它是对任何波长和任意方向的入射辐射完全吸收的物体，即1。自然界不存在绝对黑体，只有少数如碳黑等表面，以及空腔壁上小孔接近于黑体。黑体不仅是吸收能力最大的物体，也是发射能力最大的物体，在相同的温度条件下，黑体在各方向上所发射各波长的辐射能比任何其他物体都多。此外，黑体的发射和吸收与方向无关。实际物体的辐射力与同温度条件下黑体辐射密度的比值称为物体的发射比，小于1。这里的辐射密度是指在半球发射的总辐射力，因此称为半球发射比，太阳吸收比，热发射比(T),根据基尔霍夫定律,T,T热平衡，表面单色定向发射比等于表面单色定向吸收比不热平衡也成立漫射表面，,T,T辐射与方向无关灰表面，,T,T辐射与波长无关对于漫灰体，(T)(T),太阳光谱相当约6000K黑体表面的辐射，而普通物体温度低，因而物体的热辐射和太阳辐射分别在不同的波长范围内，这样可以设计与制造一个表面，对太阳光有高的吸收比，而表面的发射比低，称为太阳选择性吸收表面,二、气体放电有关基础直流辉光放电,1、放电管的阴极C和阳极A均为具有10cm2面积的圆形平板铜电极，极间距离为50cm，充133Pa压强的氖气。,AB段包括被激导电及非自持的暗放电两种放电形式。BC段是自持的暗放电。EF段为正常辉光放电，FG段为反常辉光放电，H点的右侧为弧光放电，这三段均为稳定的放电形式。GH段为反常辉光放电到弧光放电之间的过渡区。,2、放电着火条件电子在电场中运动，获能，电子碰撞气体原子、分子，能量交换，引起原子、分子电离。当一个电子从阴极跑向阳极时，顺序发生第1,2,3,4次碰撞电离，相应的向阳极运动的电子数增加到2,4,8,16个。电子愈走愈多，像雪崩式增长。称电子雪崩。,图2-2,3、辉光放电的外貌与参量分布,阴极暗区(CathodeDarkSpace)电子的能量大于激发电位，激发几率小，发光弱，衬托成暗区。电子能量大于气体粒子电离能量，产生大碰撞电离与电子雪崩过程。负辉区(NegativeGlow)发光最强。电子在阴极暗区由于碰撞电离失去很多能量，同时还在电场中获得能量，在这区内负空间电荷积累，电场趋于零。产生许多激发碰撞，因而产生明亮的辉光。正光柱区(PositiveColumn)出现均匀的光柱。电场沿管轴方向分布是均匀的，区内电子密度与离子密度相等，为等离子体。电场强度比阴极区小几个数量级,3、正常辉光与反常辉光放电,正常辉光放电时，阴极电流密度是恒定的，阴极部分表面发射电子，当放电电流增加，阴极发射电子面积随之增大，而放电电压保持不变，一直到阴极,图2-6反常辉光后电阴极位降与的实验曲线,正常辉光放电时，阴极电流密度是恒定的，阴极部分表面发射电子，当放电电流增加，阴极发射电子面积随之增大，而放电电压保持不变，一直到阴极全部表面发射电子为止。典型的阴极位降为150-400伏。,三、磁控溅射有关基础1、二极溅射,典型的工作条件：氩压强7.510-2托(10Pa)，溅射镍，阴极与阳极间距离4.5厘米，电压3000V，电流密度1mA/cm2,沉积率360/分,（2）磁控溅射,非反应溅射，Ar反应溅射,Ar+O2,P、Sigmund给出产额表达式,其中Z1与Z2分别为入射离子与靶原子的原子序数；M1与M2为入射离子与靶原子的质量；U0为靶材原子表面结合能(BindingEnergy)，U0小。靶材汽化温度低，产额大；Sn(E)为传递至靶用于溅射的相对能量，称靶扣留功率(Stoppingpower)。,溅射产额(Yield)：每个入射离子溅射出阴极原子数,四、金属学与结晶化学有关基础,五、物理光学有关基础N=n-ik复折射率n折射率;k消光系数；K0无吸收；k0，有吸收无吸收玻璃，K0,光垂直入射，,单界面,R=(n1)2/(n+1)2,n=1.5,R=0.04双界面,R0.08,普通玻璃最大透射比0.92,垂直透射比细计算T=(1-R)2R2n=1-R/1+R=0.923,R=0.04d多光束，不相干,增透要减反层，要低折射率的介质,k0,第一代（1985）,第三代（1998）：立式结构，开发创新了大回路闭合溅射轨迹柱状磁控阴极，磁场绕阴极轴旋转，俗称旋转磁场。阴极在溅射中均匀剥蚀，使阴极材料利用率增加约8倍，镀层均匀，质量稳定，生产工艺已实现自动控制。,磁控溅射渐变铝-氮/铝太阳选择性吸收涂层1985年申请发明专利，1987年授权,磁控溅射铝-氮/铝太阳选择性吸收涂层。目前仍是低中温太阳能热利用中吸收涂层性能/价格比最好的。具有自主知识产权。从发明成果到产业化中的技术创新：1、开发与制造了第二、三代圆柱形磁控溅射镀膜机2、开发了圆柱面吸收涂层的太阳吸收比准确测量等技术3、宜大生产整管涂层色泽均匀，环封口吸收涂层的耐温性好4、真空烘烤后吸收性能提高,单靶溅射技术成本低，用于生活热水，为什么说铝-氮/铝太阳选择性吸收涂层是性能价格比最优的涂层?1、性能：吸收比，发射比Au,Ag,Cu,Al,Ni,Mo.复合层（陶瓷层）2、Al材，Ar,N2价低3、单阴极（靶）1980年以来，经历了双靶、三靶发展到铝单靶磁控溅射技术，制备太阳选择性吸收涂层,6）吸收层：层数4层及4层以上称多层或渐变23层称干涉吸收型实际都是干涉吸收型当厚度d波长，多光束,相干，-0.33,d-20nm40nm,太阳选择性吸收涂层专利初讨一例20081118为专利审查员报告,太