摘要：采用電沉積在不銹鋼管表面制備出黑鉻選擇性吸收涂層。通過FESEM、XRD/Raman 及定向半球反射率測(cè)量?jī)x分別對(duì)其形貌、結(jié)構(gòu)及光學(xué)性能進(jìn)行表征，結(jié)果表明：黑鉻涂層晶粒分布均勻，晶粒間存在大量孔隙，平均晶粒尺寸約為500nm；XRD與Raman 結(jié)果表明，采用電沉積制備的黑鉻選擇性吸收涂層主要成分為單質(zhì)鉻與Cr2O3；中溫發(fā)射比測(cè)試結(jié)果表明，在室溫下，黑鉻涂層最低發(fā)射率約為11.3%；在603.2°F（~317.3℃）時(shí)，黑鉻涂層最高發(fā)射比約為0.249。

    關(guān)鍵詞：中高溫、黑鉻、選擇性吸收、性能

    1 引言

    太陽能光熱發(fā)電是太陽能熱利用的重要領(lǐng)域之一，用于太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)主要有槽式、塔式和碟式等，其中，槽式發(fā)電相對(duì)成熟，并已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)行。

    在槽式發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能集熱管是其核心組成部分，而高溫真空太陽能集熱管的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：高溫太陽選擇性吸收涂層技術(shù)，玻璃與金屬的封接技術(shù)和真空維持技術(shù)。因此，為提高發(fā)電效率，降低發(fā)電成本，中高溫太陽能選擇性吸收涂層成為制約槽式熱發(fā)電的核心單元技術(shù)。提高太陽能選擇性吸收涂層性能，如提高涂層工作溫度、降低高溫發(fā)射比等，已成為提高太陽能熱發(fā)電能量循環(huán)效率和發(fā)電效率、以及減少太陽熱發(fā)電成本的最有效途徑，因此，中高溫（≥450℃）選擇性吸收涂層成為近年來的研究重點(diǎn)。

    作為槽式發(fā)電集熱管的選擇性吸收涂層材料通常有藍(lán)鈦膜、黑鉻及金屬陶瓷涂層等。黑鉻涂層作為中高溫太陽選擇性吸收涂層，具有性能優(yōu)異、耐候性好及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。本研究通過電沉積在不銹鋼管表面制備黑鉻選擇性吸收涂層，表現(xiàn)出良好的工藝穩(wěn)定性和優(yōu)異的選擇性吸收性能，其成本相對(duì)較低、性價(jià)比高，具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

    2 實(shí)驗(yàn)

    2.1 涂層制備

    在規(guī)格為SUS304 不銹鋼管表面，通過電沉積制備黑鉻選擇性吸收涂層。其詳細(xì)工藝流程為：外圈拋光→化學(xué)除油→水洗→電解除油→水洗→化學(xué)活化→電解活化→水洗→鍍沖擊鎳→水洗→鍍復(fù)合鎳→水洗→鍍黑鉻→后處理→干燥→成品。

    表1 為本研究電沉積鎳與黑鉻涂層等重要工藝流程所對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)。

    2.2 涂層表征

    涂層表面形貌采用日本Hitachi冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）進(jìn)行表征；采用日本Rikagu Ultima IV X射線衍射儀（XRD）和瑞士Renishaw 拉曼光譜儀（Raman）分別對(duì)黑鉻涂層結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征；中溫性能測(cè)試委托SOPOGY 公司采用美國(guó)SOC-100 定向半球反射率測(cè)量?jī)x測(cè)定。

    3 結(jié)果與討論

    3.1 形貌觀察

    圖1 為海達(dá)克在不銹鋼管表面電沉積黑鉻選擇性吸收鍍層表面形貌FESEM照片。由圖1 可以看出，黑鉻鍍層呈現(xiàn)疏松多孔的微凸結(jié)構(gòu)，晶粒分布均勻，平均晶粒尺寸為400~500nm，晶粒之間存在大量孔隙。

    圖1 不銹鋼管黑鉻涂層表面形貌FESEM 照片

    根據(jù)微不平表面的吸收機(jī)理，孔洞可吸收與其尺寸相當(dāng)和比其尺寸更小的波長(zhǎng)，從而加強(qiáng)對(duì)可見光的吸收，相對(duì)于較大尺度的中遠(yuǎn)紅外光波而言，這些孔隙則可以對(duì)其形成鏡面反射，從而達(dá)到選擇性吸收的目的。同時(shí)，由于可見及近紅外光波的完全吸收，從而使鍍層呈現(xiàn)黑色。

    3.2 結(jié)構(gòu)表征

    圖2為黑鉻涂層的XRD圖譜。在圖譜中，2θ 位于~24°、~50.5°和~58°附近的衍射峰均對(duì)應(yīng)于Cr2O3特征衍射峰，位于~44°附近的衍射峰則對(duì)應(yīng)于Cr 單質(zhì)衍射峰，此外，由于Cr 和Cr2O3均在2θ 為~65°附件具有明顯的衍射峰，因此，在圖2 中，位于~65°附件的衍射峰可歸于Cr、Cr2O3 或二者的混合，表明本研究中由電沉積制備的黑鉻涂層主要由鉻和三氧化二鉻組成。此外，在XRD 圖譜中，還觀察到了明顯的鎳層位于~52°附近的衍射峰。

    相比與XRD 所獲得的平均結(jié)構(gòu)信息，Raman 更加適合對(duì)微觀及特定區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。圖3為黑鉻涂層Raman 圖譜，在~298cm-1、~345cm-1 和~545cm-1 拉曼位移處均出現(xiàn)了明顯的拉曼振動(dòng)峰，其中，位于~298cm-1 和~345cm-1 拉曼位移處較弱的振動(dòng)峰對(duì)應(yīng)于Cr2O3。而對(duì)于~540cm-1拉曼移位處的振動(dòng)峰，有文獻(xiàn)指出，此峰可能對(duì)應(yīng)于鉻的氫氧化物或Cr2O3，而在本研究中，黑鉻選擇性吸收涂層通過電沉積法制備，因此，位于~545cm-1附近的拉曼振動(dòng)峰可歸于Cr2O3。

    3.3 性能測(cè)試

    表2 為相同工藝參數(shù)制備的四根不銹鋼管黑鉻涂層中溫發(fā)射比測(cè)試結(jié)果。由表2 數(shù)據(jù)可以看出，隨著測(cè)試溫度的上升，黑鉻涂層發(fā)射比有所升高，在室溫下，黑鉻涂層的最低發(fā)射比約為11.3%，隨著溫度升高，在603.2°F（~317.3℃）時(shí)，黑鉻涂層的發(fā)射比最高值約為24.9%，最低值約為20.7%。而黑鉻涂層在600°F以上的高溫發(fā)射比將會(huì)在后續(xù)研究中作進(jìn)一步探討。

    圖4 為不銹鋼管黑鉻涂層發(fā)射比隨溫度變化趨勢(shì)圖。由圖中可以看出，四個(gè)不銹鋼管黑鉻涂層試樣的發(fā)射比隨溫度升高均緩慢上升，表現(xiàn)出比較明顯的線性特征，不存在急劇增加的現(xiàn)象，表明該研究制備的不銹鋼管黑鉻涂層在中溫階段具有良好的性能穩(wěn)定性。

    4 結(jié)論

    采用電沉積在不銹鋼管表面制備出形貌均勻的黑鉻選擇性吸收涂層，其晶粒分布均勻，平均晶粒尺寸約為500nm，涂層主要成份為Cr與Cr2O3。涂層發(fā)射比隨溫度升高表現(xiàn)出比較明顯的線性特征，具有良好的中溫性能穩(wěn)定性，在溫度為393.4°F（~200.7℃）和603.2°F（~317.3℃）時(shí)，黑鉻涂層分別具有~16.9%和~20.7%的最低發(fā)射比，而高溫光學(xué)性能及耐腐蝕性能將會(huì)展開進(jìn)一步研究。

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責(zé)任編輯：王元

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