纳米颗粒对金属陶瓷光热转换涂层选择吸收特性的影响

以双金属、氮化物和氧化物作为吸光组元的金属陶瓷涂层是一类极具发展潜力的耐高温光热转换涂层,为了明确其光谱选择性吸收机理,采用第一性原理计算和有限差分时域(FDTD)法研究了 WTi、Cr2O3和TiN的能带结构、电子结合特性和分布特征对选择吸收特性的影响.研究结果表明:WTi双金属纳米颗粒因Ti的掺杂会产生强烈的原子轨道杂化,导致能带上移和带宽变窄,可以强化对电子的局域限制,有助于增强带间耦合作用和表面等离子体激元共振效应;Cr2O3氧化物纳米颗粒中存在较窄的禁带,键长易发生变化,故在高温下其光吸收机制会从电子跃迁方式向表面等离子体激元共振效应转变;TiN氮化物纳米颗粒中不存在禁带,体现出更广的光吸收波长范围,同时颗粒间稳定的键长和较高的载流子浓度增强了体系的稳定性和自由载流子光吸收效应.此外,FDTD模拟发现,小尺寸纳米颗粒在0.3～1.5 μm波段内具有很高的吸收系数,而大尺寸纳米颗粒虽然吸收系数不高,但是具有更高的散射系数.基于此,创新性地提出了多尺度分层化金属陶瓷光热转换涂层的组织构筑策略,使不同粒径的纳米粒子呈分层化有序排列,可以充分利用不同粒径纳米颗粒在不同波段的吸收优势并增强纳米粒子间的相互作用,有助于实现对太阳光的全谱吸收.实验研究结果表明,纳米颗粒分层化的AlCrON基金属陶瓷光热转换涂层不仅吸收率高达0.901,发射率还仅为0.184,同时能够在500 ℃、大气环境下保持稳定1000 h以上,表现出极为优异的光谱选择吸收性和热稳定性.