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量儀分別對其形貌、結構及光學性能進行表征，結果表明：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鉻與Cr2O3；中溫發射比測試結果表明，在室溫下，黑鉻涂層最低發射率約為11.3%；在603.2°F（~317.3℃）時，黑鉻涂層最高發射比約為0.249。

    關鍵詞：中高溫、黑鉻、選擇性吸收、性能

    1 引言

    太陽能光熱發電是太陽能熱利用的重要領域之一，用于太陽能光熱發電系統主要有槽式、塔式和碟式等，其中，槽式發電相對成熟，并已實現了商業化運行。

    在槽式發電系統中，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鍵技術主要包括：高溫太陽選擇性吸收涂層技術，玻璃與金屬的封接技術和真空維持技術。因此，為提高發電效率，降低發電成本，中高溫太陽能選擇性吸收涂層成為制約槽式熱發電的核心單元技術。提高太陽能選擇性吸收涂層性能，如提高涂層工作溫度、降低高溫發射比等，已成為提高太陽能熱發電能量循環效率和發電效率、以及減少太陽熱發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。

    作為槽式發電集熱管的選擇性吸收涂層材料通常有藍鈦膜、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，具有性能優異、耐候性好及成本低廉等優點。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，表現出良好的工藝穩定性和優異的選擇性吸收性能，其成本相對較低、性價比高，具有較強的市場競爭力。

    2 實驗

    2.1 涂層制備

    在規格為SUS304 不銹鋼管表面，通過電沉積制備黑鉻選擇性吸收涂層。其詳細工藝流程為：外圈拋光→化學除油→水洗→電解除油→水洗→化學活化→電解活化→水洗→鍍沖擊鎳→水洗→鍍復合鎳→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應的工藝參數。

    2.2 涂層表征

    涂層表面形貌采用日本Hitachi冷場發射掃描電子顯微鏡（FESEM）進行表征；采用日本Rikagu Ultima IV X射線衍射儀（XRD）和瑞士Renishaw 拉曼光譜儀（Raman）分別對黑鉻涂層結構進行表征；中溫性能測試委托SOPOGY 公司采用美國SOC-100 定向半球反射率測量儀測定。

    3 結果與討論

    3.1 形貌觀察

    圖1 為海達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，黑鉻鍍層呈現疏松多孔的微凸結構，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

    根據微不平表面的吸收機理，孔洞可吸收與其尺寸相當和比其尺寸更小的波長，從而加強對可見光的吸收，相對于較大尺度的中遠紅外光波而言，這些孔隙則可以對其形成鏡面反射，從而達到選擇性吸收的目的。同時，由于可見及近紅外光波的完全吸收，從而使鍍層呈現黑色。

    3.2 結構表征

    圖2為黑鉻涂層的XRD圖譜。在圖譜中，2θ 位于~24°、~50.5°和~58°附近的衍射峰均對應于Cr2O3特征衍射峰，位于~44°附近的衍射峰則對應于Cr 單質衍射峰，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 所獲得的平均結構信息，Raman 更加適合對微觀及特定區域進行結構表征。圖3為黑鉻涂層Raman 圖譜，在~298cm-1、~345cm-1 和~545cm-1 拉曼位移處均出現了明顯的拉曼振動峰，其中，位于~298cm-1 和~345cm-1 拉曼位移處較弱的振動峰對應于Cr2O3。而對于~540cm-1拉曼移位處的振動峰，有文獻指出，此峰可能對應于鉻的氫氧化物或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附近的拉曼振動峰可歸于Cr2O3。

    3.3 性能測試

    表2 為相同工藝參數制備的四根不銹鋼管黑鉻涂層中溫發射比測試結果。由表2 數據可以看出，隨著測試溫度的上升，黑鉻涂層發射比有所升高，在室溫下，黑鉻涂層的最低發射比約為11.3%，隨著溫度升高，在603.2°F（~317.3℃）時，黑鉻涂層的發射比最高值約為24.9%，最低值約為20.7%。而黑鉻涂層在600°F以上的高溫發射比將會在后續研究中作進一步探討。

    圖4 為不銹鋼管黑鉻涂層發射比隨溫度變化趨勢圖。由圖中可以看出，四個不銹鋼管黑鉻涂層試樣的發射比隨溫度升高均緩慢上升，表現出比較明顯的線性特征，不存在急劇增加的現象，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定性。

    4 結論

    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。涂層發射比隨溫度升高表現出比較明顯的線性特征，具有良好的中溫性能穩定性，在溫度為393.4°F（~200.7℃）和603.2°F（~317.3℃）時，黑鉻涂層分別具有~16.9%和~20.7%的最低發射比，而高溫光學性能及耐腐蝕性能將會展開進一步研究。

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責任編輯：王元

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