Химия и химические технологии/5. Фундаментальные

проблемы создания новых материалов и технологий.

К.х.н. Беспалова Ж.И., Клушин В.А., д.т.н. Кудрявцев Ю.Д.

Южно – Российский государственный технический университет

(Новочеркасский политехнический институт), Россия

Получение оптически селективных оксидных пленок на алюминии и его сплавах при поляризации переменным асимметричным током

Растущая стоимость первичных энергоносителей повышает интерес к возобновляемым и нетрадиционным источникам энергии, таким как солнечная энергия. Одна из наиболее распространенных технологий использования солнечной энергии – это теплоснабжение с помощью солнечных коллекторов, дающих низкопотенциальное тепло. Их эффективность во многом определяется поглощательной способностью абсорбера, покрытого оптически селективным покрытием (Пк). Оптически селективные Пк должны отвечать определенным требованиям: иметь большой коэффициент поглощения и низкое излучение во всём спектральном диапазоне излучения Солнца.

В настоящее время оптически селективные Пк получают осаждением в вакууме на металлическую или металлизированную поверхность диэлектрических слоев углеродсодержащего материала [1], условиях электроискровых разрядов [2], оксидированием с помощью постоянного тока. Исследования по использованию переменного асимметричного тока для получения оптически селективных Пк на базе анодного оксида алюминия отсутствуют. Вместе с тем, это направление весьма перспективно, так как даёт возможность гибкого управления технологическим процессом, влиять на микроструктуру оксидов и количество примесей в них. Использование электрохимического метода привлекательно ещё и тем, что он прост и экономичен по сравнению с другими методами.

В работе представлены результаты исследований по изучению получения оптически селективных оксидных плёнок с помощью переменного асимметричного тока.

Оптически селективные Пк оцениваются по возможности их нанесения на определенный материал абсорбера, в качестве которого используют: алюминий, сталь, никель, титан, серебро, медь и др. Однако наиболее широкое применение нашёл алюминий благодаря его специфическим физико-механическим и теплофизическим характеристикам при относительно невысокой стоимости.

Поэтому формирование оптически селективных Пк осуществляли на поверхности алюминиевого сплава АД 31 из водного раствора разработанного нами состава электролита при поляризации переменным асимметричным током промышленной частоты, представляющим две полусинусоиды разной амплитуды. Противоэлектродом служил алюминиевый сплав А5М. Электролит содержал: сульфат алюминия (Al₂(SO₄)₃·18H₂O), сульфат никеля (NiSO₄·7H₂O), формалин и одну из гидроксикислот (лимонную, винную, аскорбиновую). Конструктивные решения при разработке состава электролита дали возможность совместить оксидирование с одновременным заполнением пор оксида алюминия высокодисперсным никелем и получить однослойные оптически селективные Пк толщиной менее 1 мкм. Оптимизацию процесса получения оптически селективных Пк проводили методом математического планирования эксперимента, что позволило установить оптимальные условия формирования оптически селективных покрытий: соотношение средних катодного и анодного токов (I_к: I_а) = 1,3:1, напряжение 8-10 В, температура 20±4 ˚С, время нанесения 2,5 мин. Полученные оптически селективные Пк обладают высокими оптическими свойствами. Коэффициенты поглощения (Ас) и излучения (ε), соответственно, равны 95,0 и 9,0 %.

Разработанные оптически селективные Пк термостабильны (рисунок 1), что свидетельствует о целесообразности и эффективности их использования в гелиоустановках.

Рисунок 1 – Зависимость коэффициентов поглощения (а) и излучения (б) от температуры. Ас –коэффициент поглощения; ε – коэффициент излучения.

Причем, что очень важно, с возрастанием температуры до 250 ˚С они не теряют своих оптических свойств относительно коэффициента поглощения и значительно уменьшают коэффициент излучения. Следовательно, с увеличением времени эксплуатации солнечного коллектора селективность Пк будет расти.

Оптически селективные покрытия состоят из частиц оксида алюминия, имеющих размеры в интервале от 20 до 70 нм. Растровая электронная микроскопия позволила установить, что внутри частиц оксида алюминия располагается высокодисперсный никель, который равномерно распределён по поверхности.

Таким образом, использование переменного асимметричного тока для формирования оптически селективных Пк следует считать перспективным. Так как его применение позволило получить однослойные оптически селективные покрытия на базе оксида алюминия с высокими оптическими свойствами в течении 2,5 мин.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пат. 2 133 928 РФ МПК⁶ F 24 J 2/48. Многослойное селективное покрытие для солнечного коллектора и способ его получения.

2. Пат. 2 096 534 РФ МПК⁶ C25D11/02, C25D11/14. Способ получения оптически черных покрытий на вентильных металлах.