摘要：采用电沉积在不锈钢管表面制备出黑铬选择性吸收涂层。通过FESEM、XRD/Raman 及定向半球反射率测量仪分别对其形貌、结构及光学性能进行表征，结果表明：黑铬涂层晶粒分布均匀，晶粒间存在大量孔隙，平均晶粒尺寸约为500nm；XRD与Raman 结果表明，采用电沉积制备的黑铬选择性吸收涂层主要成分为单质铬与Cr2O3；中温发射比测试结果表明，在室温下，黑铬涂层最低发射率约为11.3%；在603.2°F（~317.3℃）时，黑铬涂层最高发射比约为0.249。

    关键词：中高温、黑铬、选择性吸收、性能

    1 引言

    太阳能光热发电是太阳能热利用的重要领域之一，用于太阳能光热发电系统主要有槽式、塔式和碟式等，其中，槽式发电相对成熟，并已实现了商业化运行。

    在槽式发电系统中，太阳能集热管是其核心组成部分，而高温真空太阳能集热管的关键技术主要包括：高温太阳选择性吸收涂层技术，玻璃与金属的封接技术和真空维持技术。因此，为提高发电效率，降低发电成本，中高温太阳能选择性吸收涂层成为制约槽式热发电的核心单元技术。提高太阳能选择性吸收涂层性能，如提高涂层工作温度、降低高温发射比等，已成为提高太阳能热发电能量循环效率和发电效率、以及减少太阳热发电成本的最有效途径，因此，中高温（≥450℃）选择性吸收涂层成为近年来的研究重点。

    作为槽式发电集热管的选择性吸收涂层材料通常有蓝钛膜、黑铬及金属陶瓷涂层等。黑铬涂层作为中高温太阳选择性吸收涂层，具有性能优异、耐候性好及成本低廉等优点。本研究通过电沉积在不锈钢管表面制备黑铬选择性吸收涂层，表现出良好的工艺稳定性和优异的选择性吸收性能，其成本相对较低、性价比高，具有较强的市场竞争力。

    2 实验

    2.1 涂层制备

    在规格为SUS304 不锈钢管表面，通过电沉积制备黑铬选择性吸收涂层。其详细工艺流程为：外圈抛光→化学除油→水洗→电解除油→水洗→化学活化→电解活化→水洗→镀冲击镍→水洗→镀复合镍→水洗→镀黑铬→后处理→干燥→成品。

    表1 为本研究电沉积镍与黑铬涂层等重要工艺流程所对应的工艺参数。

    2.2 涂层表征

    涂层表面形貌采用日本Hitachi冷场发射扫描电子显微镜（FESEM）进行表征；采用日本Rikagu Ultima IV X射线衍射仪（XRD）和瑞士Renishaw 拉曼光谱仪（Raman）分别对黑铬涂层结构进行表征；中温性能测试委托SOPOGY 公司采用美国SOC-100 定向半球反射率测量仪测定。

    3 结果与讨论

    3.1 形貌观察

    图1 为海达克在不锈钢管表面电沉积黑铬选择性吸收镀层表面形貌FESEM照片。由图1 可以看出，黑铬镀层呈现疏松多孔的微凸结构，晶粒分布均匀，平均晶粒尺寸为400~500nm，晶粒之间存在大量孔隙。

    图1 不锈钢管黑铬涂层表面形貌FESEM 照片

    根据微不平表面的吸收机理，孔洞可吸收与其尺寸相当和比其尺寸更小的波长，从而加强对可见光的吸收，相对于较大尺度的中远红外光波而言，这些孔隙则可以对其形成镜面反射，从而达到选择性吸收的目的。同时，由于可见及近红外光波的完全吸收，从而使镀层呈现黑色。

    3.2 结构表征

    图2为黑铬涂层的XRD图谱。在图谱中，2θ 位于~24°、~50.5°和~58°附近的衍射峰均对应于Cr2O3特征衍射峰，位于~44°附近的衍射峰则对应于Cr 单质衍射峰，此外，由于Cr 和Cr2O3均在2θ 为~65°附件具有明显的衍射峰，因此，在图2 中，位于~65°附件的衍射峰可归于Cr、Cr2O3 或二者的混合，表明本研究中由电沉积制备的黑铬涂层主要由铬和三氧化二铬组成。此外，在XRD 图谱中，还观察到了明显的镍层位于~52°附近的衍射峰。

    相比与XRD 所获得的平均结构信息，Raman 更加适合对微观及特定区域进行结构表征。图3为黑铬涂层Raman 图谱，在~298cm-1、~345cm-1 和~545cm-1 拉曼位移处均出现了明显的拉曼振动峰，其中，位于~298cm-1 和~345cm-1 拉曼位移处较弱的振动峰对应于Cr2O3。而对于~540cm-1拉曼移位处的振动峰，有文献指出，此峰可能对应于铬的氢氧化物或Cr2O3，而在本研究中，黑铬选择性吸收涂层通过电沉积法制备，因此，位于~545cm-1附近的拉曼振动峰可归于Cr2O3。

    3.3 性能测试

    表2 为相同工艺参数制备的四根不锈钢管黑铬涂层中温发射比测试结果。由表2 数据可以看出，随着测试温度的上升，黑铬涂层发射比有所升高，在室温下，黑铬涂层的最低发射比约为11.3%，随着温度升高，在603.2°F（~317.3℃）时，黑铬涂层的发射比最高值约为24.9%，最低值约为20.7%。而黑铬涂层在600°F以上的高温发射比将会在后续研究中作进一步探讨。

    图4 为不锈钢管黑铬涂层发射比随温度变化趋势图。由图中可以看出，四个不锈钢管黑铬涂层试样的发射比随温度升高均缓慢上升，表现出比较明显的线性特征，不存在急剧增加的现象，表明该研究制备的不锈钢管黑铬涂层在中温阶段具有良好的性能稳定性。

    4 结论

    采用电沉积在不锈钢管表面制备出形貌均匀的黑铬选择性吸收涂层，其晶粒分布均匀，平均晶粒尺寸约为500nm，涂层主要成份为Cr与Cr2O3。涂层发射比随温度升高表现出比较明显的线性特征，具有良好的中温性能稳定性，在温度为393.4°F（~200.7℃）和603.2°F（~317.3℃）时，黑铬涂层分别具有~16.9%和~20.7%的最低发射比，而高温光学性能及耐腐蚀性能将会展开进一步研究。

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责任编辑：王元

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