一种双相碳化物金属陶瓷太阳能选择性吸收复合涂层的制备方法

摘要

本发明公开了一种双相碳化物金属陶瓷太阳能选择性吸收复合涂层的制备方法，基于双相碳化物WC和Cr3C2的特点以及纳米晶粒尺寸效应，通过冷喷涂技术实现喷涂粉末的相结构和成分移植，达到更好地提高涂层的光学吸收性和高温热稳定性，同时在所制备的WC/Cr3C2‑Co和WC/Cr3C2‑Ni金属陶瓷涂层表面采用溶胶‑凝胶法沉积获得Al2O3减反层形成复合涂层，最终获得光学吸收性能及高温热稳定性优良的复合涂层。本发明可实现纳米结构成分移植，通过有效的塑性变形，有利于控制粒子间结合，提高层间结合；同时，所制备的涂层光学吸收性和高温热稳定性良好，工艺操作简单、成本较低，特别适用于工业应用推广。

权利要求

1.一种双相碳化物金属陶瓷太阳能选择性吸收复合涂层的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、将WC和纳米Cr3C2分别与金属相Co、Ni进行团聚烧结，获得双相碳化物WC/Cr3C2-Co和WC/Cr3C2-Ni金属陶瓷复合粉末，其中，Cr3C2尺度为100nm-200nm，碳化物中纳米Cr3C2质量分数为10%-30%，金属相Co和Ni质量分数均为20%-30%；

S2、将纯Al板作为基体材料，喷涂前对基体材料进行喷砂粗化预处理；

S3、以双相碳化物WC/Cr3C2-Co或WC/Cr3C2-Ni金属陶瓷复合粉末中的一种制备WC/Cr3C2-Co或WC/Cr3C2-Ni中的一种金属陶瓷涂层；

S4、在所制备的金属陶瓷涂层表面通过溶胶-凝胶法沉积获得Al2O3减反层。

2.如权利要求1所述的一种双相碳化物金属陶瓷太阳能选择性吸收复合涂层的制备方法，其特征在于：所述WC为微米WC，尺度为0.5μm-1.5μm，所得的双相碳化物WC/Cr3C2-Co和WC/Cr3C2-Ni金属陶瓷复合粉末经过筛分后粒径控制在5μm-30μm。

3.如权利要求1所述的一种双相碳化物金属陶瓷太阳能选择性吸收复合涂层的制备方法，其特征在于：所述WC为纳米WC，尺度为100nm-200nm，所得的双相碳化物WC/Cr3C2-Co和WC/Cr3C2-Ni金属陶瓷复合粉末经过筛分后粒径控制在5μm-45μm。

4.如权利要求1所述的一种双相碳化物金属陶瓷太阳能选择性吸收复合涂层的制备方法，其特征在于：所述Al2O3减反层厚度控制在10μm-50μm。

5.如权利要求1所述的一种双相碳化物金属陶瓷太阳能选择性吸收复合涂层的制备方法，其特征在于：所述双相碳化物WC/Cr3C2-Co、WC/Cr3C2-Ni金属陶瓷涂层的厚度控制在50μm-150μm。

说明书

一种双相碳化物金属陶瓷太阳能选择性吸收复合涂层的制备

方法

技术领域

[0001] 本发明涉及金属/陶瓷复合材料制备领域，具体涉及一种双相碳化物金属陶瓷太阳能选择性吸收复合涂层的制备方法。

背景技术

[0002] 目前太阳能选择性吸收涂层在高温应用领域中常出现涂层吸收率下降、高温氧化、开裂剥落等问题，最终导致涂层光学吸收性能下降。因此，有必要合理通过材料结构设计、采用合适的制备技术获得光学吸收性和高温热稳定性良好的太阳能选择性吸收涂层。由于金属陶瓷材料良好的优点，特别适用于太阳能中高温领域的研究。研究表明，WC陶瓷相具有潜在光谱选择特性，高熔点、良好的物相稳定性，Cr3C2陶瓷相具有良好的抗氧化性能，同时在高温工作环境下，Cr3C2相可抑制WC相分解，将WC、Cr3C2与具有良好吸收性和抗氧化性能的过渡族Co或Ni金属相结合，以及基于可获得较高的品质因子及良好热稳定性能的陶瓷相纳米晶粒尺寸效应，可提高太阳能选择性吸收涂层光学吸收及高温热稳定性。

[0003] 热喷涂技术（超音速火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂等）是制备金属陶瓷涂层最为常用的制备技术，但喷涂粒子在喷涂过程中由于高温作用易出现杂相或相变现象，尤其不适用于制备纳米结构金属陶瓷涂层；对于沉积纳米结构涂层存在碳化物分解现象，难以实现以纳米陶瓷硬质颗粒移植至涂层中，从而而提高涂层光学吸收和热稳定性能的效果。

发明内容

[0004] 为解决上述问题，本发明提供了一种双相碳化物金属陶瓷太阳能选择性吸收复合涂层的制备方法，可实现纳米结构成分移植，通过有效的塑性变形，有利于控制粒子间结合，提高层间结合；同时，所制备的双相碳化物金属陶瓷复合涂层光学吸收性和高温热稳定性良好，工艺操作简单、成本较低，特别适用于工业应用推广。

[0005] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

[0006] 一种双相碳化物金属陶瓷太阳能选择性吸收复合涂层的制备方法，包括如下步骤：

[0007] S1、将WC和纳米Cr3C2分别与金属相Co、Ni进行团聚烧结，获得双相碳化物WC/Cr3C2-Co和WC/Cr3C2-Ni金属陶瓷复合粉末，其中，Cr3C2尺度为100nm-200nm，碳化物中纳米Cr3C2质量分数为10%-30%，金属相Co和Ni质量分数均为20%-30%；

[0008] S2、将纯Al板作为基体材料，喷涂前对基体材料进行喷砂粗化预处理；

[0009] S3、以双相碳化物WC/Cr3C2-Co或WC/Cr3C2-Ni金属陶瓷复合粉末中的一种制备WC/Cr3C2-Co或WC/Cr3C2-Ni中的一种金属陶瓷涂层；

[0010] S4、在所制备的金属陶瓷涂层表面通过溶胶-凝胶法沉积获得Al2O3减反层。化学试剂为：异丙醇铝(分析纯≥99.8%)、丙三醇(分析纯≥99.7%)、浓硝酸(65%-68%浓度)、丙酮(分析纯≥99.7%)和去离子水等。

[0011] 进一步地，所述WC为微米WC，尺度为0.5μm-1.5μm，所得的双相碳化物WC/Cr3C2-Co和WC/Cr3C2-Ni金属陶瓷复合粉末经过筛分后粒径控制在5μm-30μm。

[0012] 进一步地，所述WC为纳米WC，尺度为100nm-200nm，所得的双相碳化物WC/Cr3C2-Co和WC/Cr3C2-Ni金属陶瓷复合粉末经过筛分后粒径控制在5μm-45μm。

[0013] 进一步地，所述Al2O3减反层厚度控制在10μm-50μm。

[0014] 进一步地，所述双相碳化物WC/Cr3C2-Co、WC/Cr3C2-Ni金属陶瓷涂层的厚度控制在50μm-150μm。

[0015] 本发明具有以下有益效果：

[0016] 1）、通过冷喷涂技术可以将WC/Cr3C2-Co和WC/Cr3C2-Ni金属陶瓷复合粉末的组织结构原位移植至涂层中。

[0017] 2）将具有良好的物相稳定性与抗热震性的WC与具有良好抗氧化能力的Cr3C2相结合，可提高太阳能选择性吸收涂层的光学吸收性和高温热稳定性。

[0018] 3）将具有良好吸收性及抗氧化性能的Co或Ni金属作为涂层金属相，可提高太阳能选择性吸收涂层的光学吸收性。

[0019] 4）WC/Cr3C2-Co和WC/Cr3C2-Ni金属陶瓷涂层中的纳米晶粒尺寸效应可使涂层获得较高的品质因子及良好的热稳定性能。

附图说明

[0020] 图1为WC/Cr3C2-Co粉末与冷喷涂层XRD图谱。

具体实施方式

[0021] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

[0022] 实施例1

[0023] 将微米WC（粒径0.5μm-1.5μm）和纳米Cr3C（2 粒径100nm-200nm）与金属相Co进行团聚烧结，获得微纳双相碳化物WC/Cr3C2-Co金属陶瓷复合粉末，其中，碳化物中纳米Cr3C2质量分数20%，金属相Co质量分数为20%。选用纯Al板作为喷涂基体，喷涂前对基体进行喷砂粗化处理；首先采用冷喷涂系统在Al基体表面沉积厚度为100μm左右的WC/Cr3C2-Co金属陶瓷涂层，喷涂气体采用N2，加速气体压力2.0MPa，送粉气压力2.2MPa，喷涂温度550℃，喷涂距离10mm，喷枪移动速度为50mm/s；然后在WC/Cr3C2-Co金属陶瓷涂层表面采用溶胶-凝胶技术沉积获得Al2O3减反层，Al2O3涂层厚度50μm，最终形成纳米结构的WC/Cr3C2-Co-Al2O3复合涂层。经X射线衍射分析表明，WC/Cr3C2-Co涂层的相结构和组织结构与原始喷涂粉末相同，Al2O3减反层的物相结构均为Al2O3相。WC/Cr3C2-Co-Al2O3复合涂层结合强度高，光学吸收及高温热稳定性能良好。

[0024] 实施例2

[0025] 将微米WC（粒径0.5μm-1.5μm）和纳米Cr3C（2 粒径100nm-200nm）与金属相Ni进行团聚烧结，获得微纳双相碳化物WC/Cr3C2-Ni金属陶瓷复合粉末，其中，碳化物中纳米Cr3C2质量分数10%，金属相Ni质量分数为30%。选用纯Al板作为喷涂基体，喷涂前对基体进行喷砂粗化处理；首先采用冷喷涂系统在Al基体表面沉积厚度为100μm左右的WC/Cr3C2-Ni金属陶瓷涂层，喷涂气体采用N2，加速气体压力2.0MPa，送粉气压力2.2MPa，喷涂温度550℃，喷涂距离10mm，喷枪移动速度为100mm/s；然后在WC/Cr3C2-Ni金属陶瓷涂层表面采用溶胶-凝胶技术沉积获得Al2O3减反层，Al2O3涂层厚度30μm，最终形成纳米结构的WC/Cr3C2-Ni-Al2O3复合涂层。经X射线衍射分析表明，WC/Cr3C2-Ni涂层的相结构和组织结构与原始喷涂粉末相同，Al2O3减反层的物相结构均为Al2O3相。WC/Cr3C2-Ni-Al2O3复合涂层结合强度高，光学吸收及高温热稳定性能良好。

[0026] 实施例3

[0027] 将纳米WC（粒径100nm-200nm）和纳米Cr3C（2 粒径100nm-200nm）分别与金属相Ni或Co进行团聚烧结，获得双纳米双相碳化物WC/Cr3C2-Ni或WC/Cr3C2-Co金属陶瓷复合粉末，其中，碳化物中纳米Cr3C2质量分数20%，金属相Ni或Co质量分数为30%。选用纯Al板作为喷涂基体，喷涂前对基体进行喷砂粗化处理；首先采用冷喷涂系统在Al基体表面沉积厚度为50μm左右的WC/Cr3C2-Ni或WC/Cr3C2-Co金属陶瓷涂层，喷涂气体采用N2，加速气体压力1.8MPa，送粉气压力2.0MPa，喷涂温度550℃，喷涂距离10mm，喷枪移动速度为50mm/s；然后在WC/Cr3C2-Ni或WC/Cr3C2-Co金属陶瓷涂层表面采用溶胶-凝胶技术沉积获得Al2O3减反层，Al2O3涂层厚度50μm，最终形成纳米结构的WC/Cr3C2-Ni-Al2O3或WC/Cr3C2-Co-Al2O3复合涂层。经X射线衍射分析表明，WC/Cr3C2-Ni或WC/Cr3C2-Co涂层的相结构和组织结构与原始喷涂粉末相同，Al2O3减反层的物相结构均为Al2O3相。WC/Cr3C2-Ni-Al2O3或WC/Cr3C2-Co-Al2O3复合涂层结合强度高，光学吸收及高温热稳定性能良好。

[0028] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。