中高温太阳能高选择性吸收涂层的制备与研究

来源 :江南大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:titan19871102
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在石化等一系列不可再生的能源渐渐减少的背景下,现有的世界能源结构将会发生重大变化,太阳能将会逐步代替现有的常规能源,成为人类生产生活必不可少的重要能源,对太阳能的光热利用的研究已经成为当今科学界的一大热点,在世界各地掀起一股新的科研浪潮。太阳能高选择性吸收涂层的主流制备方法(磁控溅射法)存在工艺复杂,生产成本高,效率低下等问题,一直制约着大规模应用,故本论文针对上述问题,提出了一种新的合成思路以及简约的工艺,同时还解决了涂层的耐热性能,主要研究内容及成果如下:第一部分:以异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、甲酸和双端羟基聚醚改性硅油(THPDMS)为原料,ε-己内酰胺封端剂,二月桂酸二丁基锡以及三乙胺为催化剂,合成封端多异氰酸酯交联剂,验证了交联剂成功合成,然后与树脂高温交联固化。通过红外核磁表征,成功合成封端含硅氧烷多异氰酸酯交联剂,并利用原位红外和DSC联合表征出封端含硅氧烷多异氰酸酯交联剂的解封端温度160-170℃和与端羟基树脂固化温度180℃。通过拉伸表征证实了交联剂中THPDMS的加入,会使胶膜的断裂伸长率和拉伸强度都大幅度提高,提高空白胶膜的韧性和机械强度。通过热失重表征,发现没加THPDMS的胶膜在250℃开始分解,而加了THPDMS的热分解全部在300℃以上,最高可达350℃,基本满足中高温太阳能吸收涂层的要求。同时通过拉曼光谱仪分析胶膜煅烧后残留物的石墨化程度以及原子力显微镜观察残留物表面形貌,进一步证实了随着THPDMS含量增加,胶膜热稳定性加强。第二部分:采用Cu(NO32·3H2O、Cr(NO33·9H2O、MnCl2·4H2O为主要原料,以NaOH作为沉淀剂制备黑色粉体。采用硅溶胶和有机硅树脂复合的粘结剂,通过各种测试,得到含量10%左右的硅溶胶的涂膜综合性能最佳。通过热重分析,证明此涂膜符合中高温涂层要求。通过光谱仪器得出粉体中Cr(NO33·3H2O用量较多时,所制得的涂层的吸收率αs较大、发射率εT较低;当加入较多Cu(NO32·3H2O的粉体时,涂层吸收率αs会有所降低,但发射率εT相对升高。从粉体SEM图来看,粉体表面的凸起结构和孔洞结构对一定波长的光起到散射作用,增加了光的反射次数,从而增加了吸收率,且不易发生表面的团聚,大大提高了金属颗粒的热稳定性。通过XRD分析粉体的晶型,发现实验得到的粉体是复合氧化物CuCrMnOx。第三部分:利用溶胶-凝胶法制备了FexCuyMnzO,并采用CaCO3联合高温煅烧方法,在功能性粉体上制造针状结构,采用上述硅树脂和硅溶胶,配合一定比例助剂和功能性粉体,通过高压喷涂的方法均匀涂覆在铝板上。XRD表征证明了粉体煅烧处理后形成了FexCuyMnzO晶态,结合XPS表征和能量谱图定量表征得到粉体A的化学结构大致为CuMn3FeO4,XPS还证实了粉体各元素以化学键共存。并通过UV3600以及TENSOR27光学仪器考察了涂层的紫外-可见-红外波段的吸收率和远红外波段的发射率,得到了紫外-可见-红外波段高吸收率和远红外波段低发射率的太阳能高选择性吸收涂层。利用粒径分析仪探究粉体煅烧时间,得到最佳反应时间为8 h。用SEM表征粉体表面结构,探究出CaCO3添加量对粉体表面形貌的影响,从而对涂层的发射率的影响。利用硅片作为底材,在其表面刻蚀出类似金字塔的棱锥结构。通过SEM对其表面形貌进行表征,并利用AFM从三维角度来解析硅片刻蚀形貌,发现刻蚀时间长短影响硅片表面类金字塔的密度,联合UV3600光学仪器对涂覆在硅片上涂层进行表征,发现涂层吸收率增加,并且类金字塔结构越密集吸收率越高。通过实际测量发现涂层具有高选择性吸收太阳光能力,也进一步证实了太阳能高选择性吸收体现在紫外-可见光-红外区域的高吸收,远红外区域的低发射。
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