第5章 高选择性热吸收涂层——蓝膜

尚心德（福建新越金属材料科技有限公司）

一、引言

太阳能应用领域广为应用的太阳能热水器装置的关键部件是太阳能集热器，而太阳能集热器的核心部件是光谱选择性吸收涂层（薄膜），该涂层的性能对太阳能集热器的集热效率会带来直接的影响。就吸热的表面而言，不同的材料有不同的热效应特征。其一，材料表面对太阳能吸收率和发射率几乎相等；其二，材料表面对太阳能的吸收有着较高的吸收率和偏高的红外发射率；其三，材料表面对太阳能有很好的吸热性能而红外发射率很低，也就是热损失很小。对我们应用来说，当然应当选择第三种材料，既要对太阳能的热吸收尽量的大，而同时又要热损失尽量的小，也就是说必须要对吸收材料进行选择。这就告诉我们，太阳能选择性涂层的吸收光谱必须与太阳发射出的光谱相匹配，才能极大地提高太阳能集热器的集热效率。

为了达到提高热吸收涂层集热效率的目的，国内外的太阳能科研领域进行了长期多种吸收涂层的研发。

1．光干涉膜

它是由在可见——近红外光区的吸收、干涉效应共同组成，在该区有两个反射率极小值，使得它具有高吸收的性能。

2．光陷阱膜

通过控制涂层的结构和形貌，对可见光起到陷阱作用，反射掉长波的辐射，提高对太阳光谱的吸收。

3．金属陶瓷膜

该膜类似于选择性吸收复合膜，这种膜层内部分子的迁移和共振使得它对太阳光谱有很强的吸收作用。

4．多层渐变膜

多层薄膜叠加一起的膜系，从表层到底层折射率和消光系数逐渐增加，形成对入射光线的层层吸收而获得垒积高的太阳光谱吸收率。

实际上，优质的选择性吸收涂层是由上述综合机理相结合而形成的一个复合膜系，这种复合膜系无论怎样变化，它都是最大限度地获得吸收而最大限度地降低发射。

二、蓝膜

1．何谓蓝膜

蓝膜是太阳能热吸收涂层家族中的一员，是平板太阳能集热器吸热板芯主体应用材料之一。由于它的表征颜色呈现蓝色，且是真空镀膜而得，故业界通称为蓝膜。

2．蓝膜蓝色的成因

高选择性热吸收涂层的颜色是由入射光在顶层SiO2减反层内部经过多重反射后形成的。根据减反层的膜层厚度，一些波段的光被吸收转化为热能，还有一小部分波段的光被反射出来，这种被反射出来的光的波长决定它呈现出的颜色。由于这种高选择性热吸收涂层只反射出来波长为470～490nm的光波，所以涂层的颜色看上去是蓝色的。太阳光在可见光区有七种颜色，不同的颜色对应了不同的波长，因此，你就不难理解涂层呈现为蓝色了。

3．蓝膜涂层的制备技术

蓝膜涂层是采用真空镀膜（PVD）技术制备而得。真空镀膜技术也称为物理气相沉积技术，真空界简称为PVD（Physical Vapour Deposition）技术。它是在真空状态下镀膜材料经蒸发或溅射等物理方法被汽化，使其沉积到被镀基片上而制取膜层的方法。

4．蓝膜涂层的结构

本文前面已有论述，涂层的结构决定蓝膜的性能，无论生产商如何变化与调整，其万变不离其宗的原则，仍离不开稳定提高涂层的吸收率和尽量减小涂层的发射率。遵循上述原则，国内外的太阳能吸收涂层产业界，绝大多数都以铬、钛两种金属为蒸发或溅射材料，通过反应模式使铬、钛金属与反应气体发生化学反应而生成氮化物或氮氧化物涂层，涂层顶面再沉积SiO2介质性减反层，从而形成一个完整的热吸收膜系（图1）。

5．蓝膜涂层的性能指标

蓝膜涂层属于高品质选择性热吸收涂层，它的热吸收率一般可达到95%，而同时又具有较低5%的热发射率。试验证明，即使在太阳光线不充裕的条件下，也可以很大程度的保持集热器的效率；试验又证明，该涂层可满足在25年的使用期内性能指标的衰减要求。

经过近几年技术的提升，国产蓝膜成膜的手段也有了很大的改进，性能指标也已赶上国外先进水平（表1）。

6．反射曲线判断蓝膜性能

为了跟踪批次蓝膜的质量状态，线下的光学测量是必要的。一般采用的是分光光度计测量，将测得的反射率指标用来认定涂层吸收率指标，并建立相关的数据存储档案，这不仅可以判别蓝膜性能，而且为膜系的改进和调整提供了数字依据（图2）。

三、蓝膜的生产设备及蓝膜质量要素

任何一种好的产品的问世和批量性生产都必须有功能齐全且满足产品生产工艺要求的设备来支持，同样，蓝膜生产也是如此。中国有句名言：工欲善其事，必先利其器。也就是说，好的设备，方能做出好的产品。基于蓝膜产品的出现，国外蓝膜产品占据了国内市场。受这种局面的推动，太阳能应用领域有担当责任的科技人员，利用国内的现有条件，有信心地开始了蓝膜的研发。先是在科研院所、大学开放性试验室做出了热吸收性能尚好的样片，进而利用20世纪90年代的玻璃平板真空镀膜生产设备加以改造，生产出了单片的蓝膜产品，虽产量有限，但也开创了中国蓝膜产品的新天地。

要想使蓝膜产品赶上目前世界水平，这种单片而且性能不稳定的设备不可能承担蓝膜大批量生产的重任。近两年，国内设备制造厂家研发出了卷对卷半连续式金属带真空镀膜设备，初步解决了产量和性能不稳的矛盾，但距离欧洲的全自动金属带镀膜生产线仍有很大差距。

为了满足中国平板太阳能集热器对高品质热吸收板芯的需求，福建新越金属材料科技有限公司购置了德国两条MSC1250型金属带真空镀膜生产线，除批量生产高品质太阳能热吸收蓝膜板，还可以生产高反射率太阳能聚光板，下面就设备功能配置和工艺方面的状态向读者予以介绍（图3）。

1．MSC1250金属带镀膜生产线是当今该类型设备的顶级配置，多个系统的配置确保了真空镀膜工艺的可靠实施

（1）金属带放卷、收卷及缓存系统；

（2）金属带表面辉光、等离子洁净预处理系统；

（3）磁控溅射镀膜工艺执行系统；

（4）电子枪轰击蒸发镀膜工艺执行系统；

（5）真空保障系统；

（6）工作气体、反应气体供给系统；

（7）镀膜质量参数在线检测系统；

（8）计算机操作、控制及管理系统；

（9）水、电、压缩空气动力供给系统。

2．蓝膜涂层工艺路线图（图4）

由于前置设有自动接带装置，所以在整条生产线无故障报警的状态下，可连续性不间断生产，工作周期为80小时。

关于“大气对大气”、“卷对卷”金属带真空镀膜生产线工艺运行的描述：

金属卷从放卷端的转动辊上，由机械手导出进入自动接带单元，通过缓存装置调整好张力的带材进入到真空镀膜腔体前端的金属带闸口阀，这种特殊结构的闸口阀具有密封和导向纠偏作用。通过闸口阀，金属带进入到一段具有真空梯度的空间，密封辊两端的密封板以及腔室的隔离，使该单元的压力值实现一个逐级递减的状态而达到真空镀膜所需要的本底压力。

金属带继续运行，进入辉光和等离子体处理单元，实现对金属带镀膜前的清洗，达到对金属带表面吸附气体的解析及残余污染尘埃的移出。金属带继续运行进入主体真空镀膜单元，实现直流磁控溅射和中频反应磁控溅射以及双电子枪轰击旋转坩埚的介质材料蒸发。

镀膜后的金属带又进入到一个带闸口阀的空间，实现金属带降温和压力值的梯度变化而升高，达到真空环境和大气环境的可靠性衔接，这就完成了所谓的“大气对大气”。镀膜后的金属带进入收端缓存装置，然后收卷并同时在线覆上保护膜，这就完成了所谓的“卷对卷”。

3．影响蓝膜性能及质量的要素

影响蓝膜性能及质量的要素可以用一句话高度概括，那就是真空镀膜工艺起到决定性的作用。什么叫真空镀膜工艺？为真空镀膜所设定的环境条件、技术参数及其相关因素就定义为真空镀膜工艺。

高品质热吸收蓝膜的成膜工艺比较复杂，涉及的条件和因素较多，下面就有关问题进行一一介绍。

3.1 基材状态

所谓的基材就是涂层的承载体，这个承载体也就是金属卷材，卷材的两边要求张力均匀、恒定、无翅边和毛刺；卷材的表面要求清洁度高，无尘、无油、无水、无凸凹点；表面粗糙度要有限制，对镀膜表面要求Ra≤0.2μm。

3.2 溅射靶材及蒸发材料

这两种材料是膜层质量的核心，因此除要求洁净外，还必须具备均匀的密度和达到4N以上的纯度。

3.3 金属带在工艺条件下的速度

在设定溅射速率和蒸发量恒定的前提条件下，膜层的厚度是由金属带的运动速度所决定的。带速快了，膜层厚度达不到要求；带速慢了，膜层厚度超出预定值而影响光学参数。因此，合适的带速是决定膜系成功的主导因素之一。

3.4 真空保障能力必须保障本底压力和工作压力

什么是本底压力（本底真空度）？本底压力是为满足镀膜的工艺要求而规定必须达到的压力，其意义在于为工艺执行创造一个洁净的和没有残余有害气体分子的空间环境。什么是工作压力（工作真空度）？工作压力是为满足镀膜工艺条件，使产品达到最佳品质状态而预先设定的压力。本底压力是基础，工作压力是保证，两者相辅相成，都是真空镀膜工艺所必须满足的前提条件。

3.5 工作气体和反应气体

金属带未进入镀膜环境前的辉光及等离子清洁预处理、磁控溅射靶形成辉光等离子区时，都需要洁净干燥的氩气（Ar），它是辉光放电必须掺入的惰性气体，这里称之为工作气体，且要求的纯度必须达到5N标准。反应气体的品种与流量是由膜系设计所决定的，掺气品种决定化合物的品种，如通N2气就会生成氮化物吸收膜，通O2就会生成氧化物吸收膜，二者都掺入会生成氮氧化物复合吸收膜。反应气体纯度要求5N，反应气体流量与工作压力共同决定膜层的性质，在具体的工艺实践中，不同的膜系有不同流量与压力，要视镀膜工艺的要求而定。

3.6 基材表面的预处理

镀膜所用的金属卷材在轧制的过程中需对轧辊进行润滑，轧制环境也有不同程度的粉尘污染，虽然后工序有清洗处理，但表面仍残存少量油脂和空气中散落的粉尘。因此，金属带在镀膜前必须进行清洗机的再处理，最大限度地清除表面上的油污和粉尘，实践证明，清洗与不清洗会对膜层质量产生较大的影响。

3.7 磁控溅射靶（阴极）、电子枪蒸发源的性能

这两种镀膜源是真空镀膜常用而且也是成熟的技术，由于制造技术、元件品质、靶材品质、结构状态的变化，都会对其稳定性产生较大影响。电参数的不稳定直接影响溅射和蒸发，溅射、蒸发不正常，就没有优良膜层的生成。目前，我国的大面积真空镀膜仍处于相对落后的状态，磁控溅射多采用矩形平面靶，而无更先进的旋转型双柱体孪生靶，旋转双柱体孪生靶的等离子区均匀稳定，靶材利用率在75%以上。而大功率且性能稳定的电子枪蒸发源更是我们的短板。因此可以说，高品质热吸收涂层的生成，取决于真空镀膜设备，真空镀膜设备的水平取决于溅射源和蒸发源的水平，两源高水平配置，基本上就解决了镀膜工艺的稳定与可靠，当然，其他条件也要满足。

3.8 除满足上述条件外，与工艺执行相关的因素也都应考虑其中

如循环冷却水的温度、流量与压力；压缩空气的稳定提供；真空测量规的校验与比对；设备所有辊系的定期清洁；真空腔体的定期清洁等。成膜工艺是一个完整的系统工程，哪一个环节都不可忽视，只有抓住关键统筹动作，每次都会取得满意的结果。

四、蓝膜性能指标的检测

蓝膜性能指标的检测是稳定和提高蓝膜产品质量的重要手段，除了生产过程中的椭偏仪测量，离线的反射测量及下线后的样片测量外，还应定期对批次产品裁样送检。检测单位除具备检测设备的完备条件外，还应具备国家级归口认定的检测资质，如“国家太阳能热水器质量监督检验中心”就是权威性检测单位。

蓝膜涂层（吸热体）的检测应遵照和依据国家颁布的“GB/T26974—2011平板型太阳能集热器吸热体技术要求”标准进行检测。

下面展现一份蓝膜检验报告实样，以示说明。

检验报告

作者简介

尚心德：福建新越金属材料科技有限公司总工程师、大学本科、高级工程师。曾在我国真空领域从业四十余年，参与过多项国家重大军工科研项目、重大真空科研工程项目的研制。主持研制的复杂曲面全自动大型磁控溅射真空镀膜设备获得中国机械工业科学技术一等奖。曾是中国载人航天工程地面真空模拟试验设备系统项目负责人之一。曾担任中国真空设备行业协会副理事长，中国真空技术标准化技术委员会副主任。现为中国真空学会高级会员，国家军工项目审核中心专家库成员。