第5章 高選擇性熱吸收涂層——藍膜

尚心德（福建新越金屬材料科技有限公司）

一、引言

太陽能應用領域廣為應用的太陽能熱水器裝置的關鍵部件是太陽能集熱器，而太陽能集熱器的核心部件是光譜選擇性吸收涂層（薄膜），該涂層的性能對太陽能集熱器的集熱效率會帶來直接的影響。就吸熱的表面而言，不同的材料有不同的熱效應特征。其一，材料表面對太陽能吸收率和發射率幾乎相等；其二，材料表面對太陽能的吸收有著較高的吸收率和偏高的紅外發射率；其三，材料表面對太陽能有很好的吸熱性能而紅外發射率很低，也就是熱損失很小。對我們應用來說，當然應當選擇第三種材料，既要對太陽能的熱吸收盡量的大，而同時又要熱損失盡量的小，也就是說必須要對吸收材料進行選擇。這就告訴我們，太陽能選擇性涂層的吸收光譜必須與太陽發射出的光譜相匹配，才能極大地提高太陽能集熱器的集熱效率。

為了達到提高熱吸收涂層集熱效率的目的，國內外的太陽能科研領域進行了長期多種吸收涂層的研發。

1．光干涉膜

它是由在可見——近紅外光區的吸收、干涉效應共同組成，在該區有兩個反射率極小值，使得它具有高吸收的性能。

2．光陷阱膜

通過控制涂層的結構和形貌，對可見光起到陷阱作用，反射掉長波的輻射，提高對太陽光譜的吸收。

3．金屬陶瓷膜

該膜類似于選擇性吸收復合膜，這種膜層內部分子的遷移和共振使得它對太陽光譜有很強的吸收作用。

4．多層漸變膜

多層薄膜疊加一起的膜系，從表層到底層折射率和消光系數逐漸增加，形成對入射光線的層層吸收而獲得壘積高的太陽光譜吸收率。

實際上，優質的選擇性吸收涂層是由上述綜合機理相結合而形成的一個復合膜系，這種復合膜系無論怎樣變化，它都是最大限度地獲得吸收而最大限度地降低發射。

二、藍膜

1．何謂藍膜

藍膜是太陽能熱吸收涂層家族中的一員，是平板太陽能集熱器吸熱板芯主體應用材料之一。由于它的表征顏色呈現藍色，且是真空鍍膜而得，故業界通稱為藍膜。

2．藍膜藍色的成因

高選擇性熱吸收涂層的顏色是由入射光在頂層SiO2減反層內部經過多重反射后形成的。根據減反層的膜層厚度，一些波段的光被吸收轉化為熱能，還有一小部分波段的光被反射出來，這種被反射出來的光的波長決定它呈現出的顏色。由于這種高選擇性熱吸收涂層只反射出來波長為470～490nm的光波，所以涂層的顏色看上去是藍色的。太陽光在可見光區有七種顏色，不同的顏色對應了不同的波長，因此，你就不難理解涂層呈現為藍色了。

3．藍膜涂層的制備技術

藍膜涂層是采用真空鍍膜（PVD）技術制備而得。真空鍍膜技術也稱為物理氣相沉積技術，真空界簡稱為PVD（Physical Vapour Deposition）技術。它是在真空狀態下鍍膜材料經蒸發或濺射等物理方法被汽化，使其沉積到被鍍基片上而制取膜層的方法。

4．藍膜涂層的結構

本文前面已有論述，涂層的結構決定藍膜的性能，無論生產商如何變化與調整，其萬變不離其宗的原則，仍離不開穩定提高涂層的吸收率和盡量減小涂層的發射率。遵循上述原則，國內外的太陽能吸收涂層產業界，絕大多數都以鉻、鈦兩種金屬為蒸發或濺射材料，通過反應模式使鉻、鈦金屬與反應氣體發生化學反應而生成氮化物或氮氧化物涂層，涂層頂面再沉積SiO2介質性減反層，從而形成一個完整的熱吸收膜系（圖1）。

5．藍膜涂層的性能指標

藍膜涂層屬于高品質選擇性熱吸收涂層，它的熱吸收率一般可達到95%，而同時又具有較低5%的熱發射率。試驗證明，即使在太陽光線不充裕的條件下，也可以很大程度的保持集熱器的效率；試驗又證明，該涂層可滿足在25年的使用期內性能指標的衰減要求。

經過近幾年技術的提升，國產藍膜成膜的手段也有了很大的改進，性能指標也已趕上國外先進水平（表1）。

6．反射曲線判斷藍膜性能

為了跟蹤批次藍膜的質量狀態，線下的光學測量是必要的。一般采用的是分光光度計測量，將測得的反射率指標用來認定涂層吸收率指標，并建立相關的數據存儲檔案，這不僅可以判別藍膜性能，而且為膜系的改進和調整提供了數字依據（圖2）。

三、藍膜的生產設備及藍膜質量要素

任何一種好的產品的問世和批量性生產都必須有功能齊全且滿足產品生產工藝要求的設備來支持，同樣，藍膜生產也是如此。中國有句名言：工欲善其事，必先利其器。也就是說，好的設備，方能做出好的產品。基于藍膜產品的出現，國外藍膜產品占據了國內市場。受這種局面的推動，太陽能應用領域有擔當責任的科技人員，利用國內的現有條件，有信心地開始了藍膜的研發。先是在科研院所、大學開放性試驗室做出了熱吸收性能尚好的樣片，進而利用20世紀90年代的玻璃平板真空鍍膜生產設備加以改造，生產出了單片的藍膜產品，雖產量有限，但也開創了中國藍膜產品的新天地。

要想使藍膜產品趕上目前世界水平，這種單片而且性能不穩定的設備不可能承擔藍膜大批量生產的重任。近兩年，國內設備制造廠家研發出了卷對卷半連續式金屬帶真空鍍膜設備，初步解決了產量和性能不穩的矛盾，但距離歐洲的全自動金屬帶鍍膜生產線仍有很大差距。

為了滿足中國平板太陽能集熱器對高品質熱吸收板芯的需求，福建新越金屬材料科技有限公司購置了德國兩條MSC1250型金屬帶真空鍍膜生產線，除批量生產高品質太陽能熱吸收藍膜板，還可以生產高反射率太陽能聚光板，下面就設備功能配置和工藝方面的狀態向讀者予以介紹（圖3）。

1．MSC1250金屬帶鍍膜生產線是當今該類型設備的頂級配置，多個系統的配置確保了真空鍍膜工藝的可靠實施

（1）金屬帶放卷、收卷及緩存系統；

（2）金屬帶表面輝光、等離子潔凈預處理系統；

（3）磁控濺射鍍膜工藝執行系統；

（4）電子槍轟擊蒸發鍍膜工藝執行系統；

（5）真空保障系統；

（6）工作氣體、反應氣體供給系統；

（7）鍍膜質量參數在線檢測系統；

（8）計算機操作、控制及管理系統；

（9）水、電、壓縮空氣動力供給系統。

2．藍膜涂層工藝路線圖（圖4）

由于前置設有自動接帶裝置，所以在整條生產線無故障報警的狀態下，可連續性不間斷生產，工作周期為80小時。

關于“大氣對大氣”、“卷對卷”金屬帶真空鍍膜生產線工藝運行的描述：

金屬卷從放卷端的轉動輥上，由機械手導出進入自動接帶單元，通過緩存裝置調整好張力的帶材進入到真空鍍膜腔體前端的金屬帶閘口閥，這種特殊結構的閘口閥具有密封和導向糾偏作用。通過閘口閥，金屬帶進入到一段具有真空梯度的空間，密封輥兩端的密封板以及腔室的隔離，使該單元的壓力值實現一個逐級遞減的狀態而達到真空鍍膜所需要的本底壓力。

金屬帶繼續運行，進入輝光和等離子體處理單元，實現對金屬帶鍍膜前的清洗，達到對金屬帶表面吸附氣體的解析及殘余污染塵埃的移出。金屬帶繼續運行進入主體真空鍍膜單元，實現直流磁控濺射和中頻反應磁控濺射以及雙電子槍轟擊旋轉坩堝的介質材料蒸發。

鍍膜后的金屬帶又進入到一個帶閘口閥的空間，實現金屬帶降溫和壓力值的梯度變化而升高，達到真空環境和大氣環境的可靠性銜接，這就完成了所謂的“大氣對大氣”。鍍膜后的金屬帶進入收端緩存裝置，然后收卷并同時在線覆上保護膜，這就完成了所謂的“卷對卷”。

3．影響藍膜性能及質量的要素

影響藍膜性能及質量的要素可以用一句話高度概括，那就是真空鍍膜工藝起到決定性的作用。什么叫真空鍍膜工藝？為真空鍍膜所設定的環境條件、技術參數及其相關因素就定義為真空鍍膜工藝。

高品質熱吸收藍膜的成膜工藝比較復雜，涉及的條件和因素較多，下面就有關問題進行一一介紹。

3.1 基材狀態

所謂的基材就是涂層的承載體，這個承載體也就是金屬卷材，卷材的兩邊要求張力均勻、恒定、無翅邊和毛刺；卷材的表面要求清潔度高，無塵、無油、無水、無凸凹點；表面粗糙度要有限制，對鍍膜表面要求Ra≤0.2μm。

3.2 濺射靶材及蒸發材料

這兩種材料是膜層質量的核心，因此除要求潔凈外，還必須具備均勻的密度和達到4N以上的純度。

3.3 金屬帶在工藝條件下的速度

在設定濺射速率和蒸發量恒定的前提條件下，膜層的厚度是由金屬帶的運動速度所決定的。帶速快了，膜層厚度達不到要求；帶速慢了，膜層厚度超出預定值而影響光學參數。因此，合適的帶速是決定膜系成功的主導因素之一。

3.4 真空保障能力必須保障本底壓力和工作壓力

什么是本底壓力（本底真空度）？本底壓力是為滿足鍍膜的工藝要求而規定必須達到的壓力，其意義在于為工藝執行創造一個潔凈的和沒有殘余有害氣體分子的空間環境。什么是工作壓力（工作真空度）？工作壓力是為滿足鍍膜工藝條件，使產品達到最佳品質狀態而預先設定的壓力。本底壓力是基礎，工作壓力是保證，兩者相輔相成，都是真空鍍膜工藝所必須滿足的前提條件。

3.5 工作氣體和反應氣體

金屬帶未進入鍍膜環境前的輝光及等離子清潔預處理、磁控濺射靶形成輝光等離子區時，都需要潔凈干燥的氬氣（Ar），它是輝光放電必須摻入的惰性氣體，這里稱之為工作氣體，且要求的純度必須達到5N標準。反應氣體的品種與流量是由膜系設計所決定的，摻氣品種決定化合物的品種，如通N2氣就會生成氮化物吸收膜，通O2就會生成氧化物吸收膜，二者都摻入會生成氮氧化物復合吸收膜。反應氣體純度要求5N，反應氣體流量與工作壓力共同決定膜層的性質，在具體的工藝實踐中，不同的膜系有不同流量與壓力，要視鍍膜工藝的要求而定。

3.6 基材表面的預處理

鍍膜所用的金屬卷材在軋制的過程中需對軋輥進行潤滑，軋制環境也有不同程度的粉塵污染，雖然后工序有清洗處理，但表面仍殘存少量油脂和空氣中散落的粉塵。因此，金屬帶在鍍膜前必須進行清洗機的再處理，最大限度地清除表面上的油污和粉塵，實踐證明，清洗與不清洗會對膜層質量產生較大的影響。

3.7 磁控濺射靶（陰極）、電子槍蒸發源的性能

這兩種鍍膜源是真空鍍膜常用而且也是成熟的技術，由于制造技術、元件品質、靶材品質、結構狀態的變化，都會對其穩定性產生較大影響。電參數的不穩定直接影響濺射和蒸發，濺射、蒸發不正常，就沒有優良膜層的生成。目前，我國的大面積真空鍍膜仍處于相對落后的狀態，磁控濺射多采用矩形平面靶，而無更先進的旋轉型雙柱體孿生靶，旋轉雙柱體孿生靶的等離子區均勻穩定，靶材利用率在75%以上。而大功率且性能穩定的電子槍蒸發源更是我們的短板。因此可以說，高品質熱吸收涂層的生成，取決于真空鍍膜設備，真空鍍膜設備的水平取決于濺射源和蒸發源的水平，兩源高水平配置，基本上就解決了鍍膜工藝的穩定與可靠，當然，其他條件也要滿足。

3.8 除滿足上述條件外，與工藝執行相關的因素也都應考慮其中

如循環冷卻水的溫度、流量與壓力；壓縮空氣的穩定提供；真空測量規的校驗與比對；設備所有輥系的定期清潔；真空腔體的定期清潔等。成膜工藝是一個完整的系統工程，哪一個環節都不可忽視，只有抓住關鍵統籌動作，每次都會取得滿意的結果。

四、藍膜性能指標的檢測

藍膜性能指標的檢測是穩定和提高藍膜產品質量的重要手段，除了生產過程中的橢偏儀測量，離線的反射測量及下線后的樣片測量外，還應定期對批次產品裁樣送檢。檢測單位除具備檢測設備的完備條件外，還應具備國家級歸口認定的檢測資質，如“國家太陽能熱水器質量監督檢驗中心”就是權威性檢測單位。

藍膜涂層（吸熱體）的檢測應遵照和依據國家頒布的“GB/T26974—2011平板型太陽能集熱器吸熱體技術要求”標準進行檢測。

下面展現一份藍膜檢驗報告實樣，以示說明。

檢驗報告

作者簡介

尚心德：福建新越金屬材料科技有限公司總工程師、大學本科、高級工程師。曾在我國真空領域從業四十余年，參與過多項國家重大軍工科研項目、重大真空科研工程項目的研制。主持研制的復雜曲面全自動大型磁控濺射真空鍍膜設備獲得中國機械工業科學技術一等獎。曾是中國載人航天工程地面真空模擬試驗設備系統項目負責人之一。曾擔任中國真空設備行業協會副理事長，中國真空技術標準化技術委員會副主任。現為中國真空學會高級會員，國家軍工項目審核中心專家庫成員。