СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЕЛЕКТИВНОГО ПОКРЫТИЯ
SELECTIVE COATING OBTAINING METHOD

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано в солнечных коллекторах, применяемых для тепло- и хладоснабжения жилых и промышленных зданий и установок. Селективное покрытие предназначено для нанесения на внешнюю поверхность поглощающей панели солнечного коллектора, преобразующего электромагнитное излучение Солнца в тепло.
с
с
Для того чтобы обеспечить эффективную работу панели солнечного коллектора относительный интегральный коэффициент поглощения поверхности коллектора в спектре излучения Солнца А должен приближаться к 1,0, а относительный интегральный коэффициент собственного излучения Е поверхности коллектора приближаться к нулевой величине. Чем выше значение отношения А/Е, тем эффективнее коллектор преобразует электромагнитное излучение Солнца в тепло.
2
2
-2
Известен способ получения многослойного селективного покрытия для солнечного коллектора на внутренней поверхности цилиндра из алюминиевой фольги [Пат. RU №2133928 F24J 2/48. Многослойное селективное покрытие для солнечного коллектора и способ его получения. 1999. Ефремов Г.А., Хромушкин А.В., Минасбеков Д.А., Дударев Н.В., Дремлюга А.А., Дьячишин А.С.] путем напыления в вакууме слоя титана и последующего реактивного напыления в вакууме слоя нестехиометрического металлоида титана, получаемого путем реактивного напыления в атмосфере СО или N при парциальном давлении каждого газа в пределах (2,5-8,0)·10 Па, после чего в тлеющем разряде в вакууме в парах органических или элементоорганических соединений при парциальном давлении паров в пределах от 10 до 20 Па осаждают твердый аморфный углеродсодержащий материал.
с
Селективное покрытие, получаемое этим способом, имеет достаточно низкий коэффициент излучения Е≈0,035, но недостаточно высокий коэффициент поглощения в солнечном спектре А=0,94. Кроме того, данный способ получения селективного покрытия технологически весьма трудоемкий.
2
3
с
с
с
Наиболее близкими по технологической сущности и достижимому результату к предлагаемому способу являются многослойные селективные покрытия для солнечного коллектора, содержащие 2 слоя, один из которых выполнен в виде пленки оксида алюминия, поры которой заполнены частицами металла, а второй слой выполнен в виде пленки из двуокиси олова и расположен первым по ходу солнечных лучей, причем между двумя этими слоями расположен дополнительный связующий слой в виде гидратированной пленки АlО [А.с. СССР №668282, МПК F24J 2/48, 1979 в Пат. RU №2044964, МПК6 F24J 2/48. Многослойное селективное покрытие для солнечного коллектора. 1995. Дьячинин А.С., Дремлюга А.А., Саксонский В.А.]. Недостатками этих покрытий, полученных с помощью постоянного электрического тока, является их относительно низкая эффективность. Для покрытий данного типа отношение А/Е составляет примерно 4,0-5,0, что обусловлено относительно высоким значением коэффициента Е (при А≈0,90, А>0,20). К числу недостатков относится и трудоемкость получения селективного покрытия, обусловленная необходимостью нанесения второго слоя для увеличения коэффициента поглощения.
Задачей изобретения является упрощение технологии получения селективного покрытия.
Задача достигается тем, что способ получения селективного покрытия включает оксидирование алюминия и его сплавов в кислом растворе, электролитическое заполнение пор оксида высокодисперсным никелем, дополнительного заполнения пор высокодисперсным серебром, а при оксидировании и электролитическом заполнении пор используют переменный асимметричный ток, в котором средний катодный ток больше анодного и их соотношение составляет 2,5:1 и 5:1 при напряжении 8-15 В, электролит оксидирования содержит соли металлов Mn, Al, Ni при следующем соотношении компонентов, (г/л):
Серная кислота
180,0-200,0
Глицерин
1,0-3,0
Лимонная кислота
2,0-5,0
Сульфат алюминия
25,0-35,0
Сульфат никеля
25,0-35,0
Перманганат калия
2,0-3,0
Применение переменного асимметричного тока позволяет получить однослойное селективное покрытие, обладающее высокой поглощающей способностью.
Новизной в предлагаемом изобретении наряду с использованием переменного асимметричного тока является и то, что с целью усиления поглощающей способности полученного электрохимически селективного покрытия дополнительно доосаждали, серебро в поры покрытия путем его погружения на некоторое время (1-3 мин) в разбавленный раствор нитрата серебра.
Доосаждение серебра усиливает эффект чернения. Осаждение серебра происходит как за счет реакции контактного обмена с частицами металла, ранее осажденного в порах оксида, так и за счет восстановления его самой оксидной нестехиометрической пленкой оксида алюминия, имеющей недостаток по кислороду. Нестехиометрия оксидной пленки алюминия обусловлена тем, что ее формирование происходит за счет применения переменного асимметричного тока, в котором средний катодный ток больше среднего анодного.
Оксидирование проводили в растворе, содержащем серную и лимонную кислоты, глицерин, сульфат алюминия, перманганат калия и сульфат никеля, при комнатной температуре и соотношении плотностей катодного и анодного тока 2,5:1, напряжении 8-15 В в течение 30 мин. Ионы никеля и марганца вводили в электролит для формирования дефектной пленки алюминия, а наличие в электролите ионов алюминия ускоряет образование оксидной пленки.
4
2
4
2
2
4
3
3
к
a
Заполнение пор оксида высокодисперсным металлом (никелем) проводили электрохимически с использованием переменного асимметричного тока из раствора, содержащего сульфат никеля (NiSO·7НО), сульфат магния (MgSO·7НO), сульфат аммония ((NHO·SO), борную кислоту (НВO) при соотношении компонентов один к одному и плотностей катодного (i) и анодного (i) токов равным 5:1, напряжении 8-15 В, времени нанесения 20 мин.
По окончании процесса чернения (после заполнения пор оксида высокодисперсным металлом и выдержки в растворе серебра) для уплотнения оксида и упрочнения окраски изделия кипятили в течение 20 мин в деминерализованной воде.
Способ позволяет получать равномерное абсолютно черное покрытие с высокой адгезией к подложке и уменьшить его стоимость за счет снижения энергоемкости процесса.
с
Коэффициент излучения покрытия Е при температуре 100°С равен 0,03, а интегральный коэффициент поглощения покрытия, описанного типа в видимой части спектра, А=0,98. Эти данные получены на основании определения отражательной способности (R, %) с помощью USB-VIS-NIR-2000-спектрометра. Таким образом, эффективность преобразования солнечной энергии предлагаемым покрытием гораздо выше по сравнению с известными покрытиями.
2
2
Пример. Селективное поглощающее покрытие наносили на внутреннюю и внешнюю поверхность (одновременно) цилиндрических трубок площадью 50×10 мм и пластин размером 60×50×2 мм, изготовленных из сплавов алюминия марки AD 31. Перед оксидированием поверхность изделий готовили по стандартной в гальванотехнике методике. После чего изделия оксидировали в стеклянной ячейке объемом 500 мл; в качестве противоэлектродов использовали свинец или алюминий. Противоэлектроды в ванне окрашивания - никель. Оксидирование и окрашивание проводили при перемешивании раствора (воздушное или механическое). Все используемые растворы электролитов готовили на деминерализованной воде из реактивов марки «ч.д.а» или «х.ч.» путем последовательного растворения компонентов. Оксидирование и заполнение пор оксида алюминия осуществляли из растворов состава таблицы 1.
Содержание компонентов в селективном покрытии, определенное с помощью сканирующего микроскопа QUANTA 200 при ускоряющем напряжении 30 кВ (табл.2), подтверждает факт заполнения пор оксида алюминия высокодисперсным никелем и доосаждение серебра в порах оксида при погружении покрытия в раствор нитрата серебра.
Таблица 2
Данные рентгеноспектрального микроанализа с помощью электронного микроскопа
Элемент
Весовые, %
Атомные, %
кислород
47,97
61,3
алюминий
45,96
34,82
никель
10,29
04,06
серебро
01,84
00,35
сера
06,07
03,87
Отражательная способность покрытий (R, %) составила 0,98. Толщина покрытия равна 10 мкм, размер частиц покрытия лежит в интервале от 5 до 111,0 нм, а пор от 0,5 до 2 мкм.
Таким образом, полученное покрытие имеет оптимальные оптические свойства в солнечном спектре и оптимальную величину слоя, составляющего покрытие.
Применение предлагаемого селективного покрытия позволит создавать солнечные коллекторы с повышенными эффективностью и КПД преобразования солнечной энергии в тепловую энергию.