太阳能高温真空集热管表面增透膜的制备工艺控制及性能

【摘要】：太阳能的利用能够避免化石能源所带来的环境危机,同时满足日益增长的能源需求。太阳能光热、光电利用技术可以解决工业与民生领域中的热能和电能的供给。 高温真空集热管是太阳能光热发电系统中的关键组成部件,其性能直接决定整个系统的集热效率。为了使太阳光最大化地透过玻璃进入集热管的核心部分,提升太阳光的利用效率,需要在玻璃管表面制备一层具有增透作用的光学薄膜。同时,由于集热管的使用环境在户外,尘土及污染物的附着会影响到玻璃管的透光性能,这就给增透膜的自清洁性能提出了更高的要求。 二氧化硅(SiO2)薄膜由于具备低反射率及低的表面散射性能,可以增强光的透射率,因此,纳米Si02被认为是制备增透膜的首选材料。本论文针对目前太阳能集热管对透光性及自清洁性能的需求开展了SiO2增透膜的制备工艺研究,解决了膜系设计、制备等技术问题。论文研究内容如下： 1、用电子束蒸发技术制备了单层SiO2增透膜,并考察膜厚度对膜层光学性能的影响,选择了最优化的工艺参数。结果表明,该膜层可使玻璃对可见光的透射率从92%提升至95%以上。 2、用溶胶-凝胶法制备了单层、双层及复合SiO2增透膜膜系。截止目前,国内外已有多篇文献报道了用溶胶-凝胶法制备Si02薄膜的方法,但均是采用价格昂贵的正硅酸乙酯(TEOS)作为Si02溶胶的前驱体,这在很大程度上限制了薄膜的大面积工业化使用。针对该问题,本论文通过采用廉价的硅溶胶代替TEOS作为原料,工业乙醇为溶剂,以酸或碱为催化剂制备SiO2增透膜,并在理论上探讨了不同催化剂作用下的过程机理。检测结果表明,该膜系对玻璃的透光率均有大幅度的提升,透射率达96%-99%,且部分已应用于太阳能集热产业中。 3、为了制备集增透和自清洁于一体的多功能光学薄膜,论文采用真空镀膜法制备了SiO2/TiO2双层膜,其中的Ti02薄膜是用磁控溅射法制备,通过控制膜的厚度及后处理的工艺,该双层膜将玻璃对可见光的透射率提升至94-95%,且膜层具有超亲水性和光催化性能。 4、用溶胶-凝胶法制备出一系歹JSiO2/TiO2双层膜及SiO2-TiO2复合膜,通过对薄膜光学性能、表面形貌、成份分析、自清洁性能的检测,选择最佳工艺条件,得到了满足实际应用需求的薄膜。 【关键词】：太阳能真空集热管 二氧化硅 二氧化钛 增透膜
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 1 绪论11-18
• 1.1 论文工程技术需求背景12-16
• 1.2 论文研究内容及创新点16-18
• 1.2.1 主要研究内容16-17
• 1.2.2 主要创新点17-18
• 2 增透膜原理及应用18-29
• 2.1 增透膜原理18-25
• 2.1.1 单层增透膜原理19-22
• 2.1.2 双层增透膜原理22-24
• 2.1.3 三层增透膜原理24-25
• 2.1.4 多层增透膜原理25
• 2.2 增透膜的应用25-26
• 2.3 增透膜的发展26-27
• 2.4 增透膜的制备方法27-29
• 3 增透膜的表征技术29-33
• 3.1 紫外可见分光光度计29
• 3.2 JSM-6701F冷场发射型扫描电镜(SEM)29-30
• 3.3 X射线衍射仪(XRD)30
• 3.4 傅里叶变换红外光谱仪30
• 3.5 纳米压痕实验的测试30-32
• 3.6 抗划伤性能的检测32
• 3.7 摩擦试验机32-33
• 4 电子束蒸镀法制备单层SiO_2增透膜的工艺控制及性能33-38
• 4.1 电子束蒸镀原理33
• 4.2 镀膜设备33-34
• 4.3 电子束蒸镀法制备单层SiO_2增透膜的镀膜工艺34-35
• 4.4 结果与讨论35-37
• 4.4.1 薄膜厚度对透光性能的影响35
• 4.4.2 SiO_2膜的形貌35-36
• 4.4.3 SiO_2膜对水的接触角36
• 4.4.4 SiO_2膜硬度测试结果36-37
• 4.4.5 SiO_2膜抗划伤性能检测结果37
• 4.5 本章小结37-38
• 5 溶胶-凝胶法制备单层SiO_2增透膜的工艺控制及性能38-54
• 5.1 引言38
• 5.2 实验试剂(材料)38
• 5.3 实验内容38-40
• 5.3.1 SiO_2溶胶的配制38-39
• 5.3.2 单层双面SiO_2增透膜的工艺控制39-40
• 5.4 结果与讨论40-51
• 5.4.1 反应机理40-44
• 5.4.2 陈化时间对光学性能的影响44-46
• 5.4.3 SA膜层数对光透射率的影响46
• 5.4.4 单面S_A膜与双面S_A膜对光透射率的影响46-47
• 5.4.5 SiO_2单层膜的形貌47-49
• 5.4.6 SiO_2单层膜对水的接触角49-50
• 5.4.7 S_A膜的X射线衍射(XRD)分析50
• 5.4.8 S_A膜硬度测试结果50-51
• 5.4.9 S_A膜摩擦学性能51
• 5.5 S_A膜在太阳能光热发电产业中的制备、性能及应用51-53
• 5.6 本章小结53-54
• 6 溶胶-凝胶法制备双层或复合SiO_2增透膜的工艺控制及性能54-61
• 6.1 引言54
• 6.2 实验试剂(材料)54
• 6.3 实验内容54-56
• 6.3.1 复合SiO_2溶胶的配制54-55
• 6.3.2 双层及复合SiO_2增透膜的工艺控制55-56
• 6.4 结果与讨论56-59
• 6.4.1 不同的膜系对光透射率的影响56-57
• 6.4.2 双层及复合SiO_2薄膜的形貌57-59
• 6.5 本章小结59-61
• 7 真空镀膜法制备SiO_2/TiO_2双层膜的工艺控制及性能61-73
• 7.1 TiO_2自清洁性能61-64
• 7.1.1 TiO_2光催化性61-63
• 7.1.2 TiO_2光致亲水性63-64
• 7.2 磁控溅射原理64-65
• 7.3 镀膜设备65-67
• 7.4 实验内容67-68
• 7.4.1 磁控溅射法制备TiO_2薄膜的镀膜工艺67
• 7.4.2 真空镀膜法制备的SiO_2/TiO_2双层膜的光催化实验67-68
• 7.5 结果与讨论68-72
• 7.5.1 镀膜时间对双层膜透射率的影响68-69
• 7.5.2 SiO_2/TiO_2双层膜的形貌69-70
• 7.5.3 SiO_2/TiO_2双层膜的水接触角照片70
• 7.5.4 SiO_2/TiO_2双层膜的X射线衍射(XRD)分析70-71
• 7.5.5 SiO_2/TiO_2双层膜的紫外光催化性能71-72
• 7.6 本章小结72-73
• 8 溶胶-凝胶法制备SiO_2/TiO_2双层膜的工艺控制及性能73-81
• 8.1 实验试剂(材料)73
• 8.2 实验内容73-75
• 8.2.1 TiO_2溶胶的配制73-74
• 8.2.2 SiO_2/TiO_2双层膜的工艺控制74-75
• 8.2.3 SiO_2/TiO_2双层膜的光催化实验75
• 8.3 结果与讨论75-80
• 8.3.1 不同膜系的可见光透射率75-77
• 8.3.2 SiO_2/TiO_2双层膜对水的接触角77
• 8.3.3 SiO_2/TiO_2双层膜的形貌77-78
• 8.3.4 SiO_2/TiO_2双层膜紫外光催化性能78-79
• 8.3.5 SA/TB双层膜抗划伤性能79-80
• 8.4 本章小结80-81
• 9 溶胶-凝胶法制备SiO_2-TiO_2复合膜的工艺控制及性能81-94
• 9.1 引言81
• 9.2 实验试剂(材料)81-82
• 9.3 实验内容82-83
• 9.3.1 SiO_2-TiO_2复合溶胶的配制82
• 9.3.2 SiO_2-TiO_2复合薄膜的工艺控制82-83
• 9.3.3 SiO_2-TiO_2复合膜粉体光降解实验83
• 9.4 结果与讨论83-93
• 9.4.1 SiO_2-TiO_2复合膜对可见光的透射率83-85
• 9.4.2 SiO_2-TiO_2复合膜的IR光谱图85-86
• 9.4.3 SiO_2-TiO_2复合膜对水的接触角86-87
• 9.4.4 SiO_2-TiO_2复合膜的形貌87-88
• 9.4.5 SiO_2-TiO_2复合膜的X射线衍射(XRD)分析88-90
• 9.4.6 SATH膜硬度测试结果90
• 9.4.7 SATH膜紫外光催化性能90-92
• 9.4.8 SATH膜的抗划伤性能92
• 9.4.9 SATH膜的摩擦学性能92-93
• 9.5 本章小结93-94
• 结论94-96
• 致谢96-98
• 参考文献98-106
• 攻读学位期间的研究成果106

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