張恩耀（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710089）

光譜選擇吸收涂層的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

張恩耀
（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710089）

概述了光譜選擇吸收涂層的發(fā)展，并對(duì)Maxwell-Garnett理論、Bruggeman理論以及Ping-Sheng理論等三種模擬計(jì)算理論進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。

選擇性吸收涂層；優(yōu)化設(shè)計(jì)；研究現(xiàn)狀

1　引言

近些年，隨著能源及環(huán)境問(wèn)題的日益突出，太陽(yáng)能作為一種理想潔凈的新能源，受到廣泛關(guān)注。太陽(yáng)能是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，也是清潔能源，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生任何污染。太陽(yáng)作為一個(gè)溫度極高的物體，通過(guò)自身的熱核反應(yīng)持續(xù)的向外輻射熱量。太陽(yáng)光譜可分為紫外光區(qū)（＜0.38μm）、可見(jiàn)光區(qū)域（0.38～0.78μm）、近紅外區(qū)域（0.780～2.5μm），其能量總和占太陽(yáng)輻射能的98%以上。因此如何汲取這部分能量將是太陽(yáng)能光熱涂層的研究重點(diǎn)。根據(jù)涂層工作溫度可分為低溫涂層（＜100℃）、中溫涂層（100℃＜T＜400℃）、高溫涂層（＞400℃）。其中，中低溫涂層的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，且商業(yè)化運(yùn)行比較成功。而高溫光譜選擇性吸收涂層的發(fā)展還面臨諸多問(wèn)題，一般要求這類涂層在高溫環(huán)境下使用時(shí)應(yīng)具有低的發(fā)射率，良好的熱穩(wěn)定性、抗氧化性和化學(xué)惰性等。

利用太陽(yáng)能的各種新材料、新設(shè)計(jì)、新技術(shù)成為當(dāng)今新能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在光熱涂層的研究過(guò)程中，采用計(jì)算機(jī)模擬和優(yōu)化的手段已經(jīng)成為預(yù)測(cè)和開發(fā)新涂層的有效手段。在優(yōu)化模擬方面，許多研究學(xué)者通過(guò)模擬涂層不同光學(xué)常數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)涂層的最優(yōu)設(shè)計(jì)。在模擬優(yōu)化研究中等效介質(zhì)理論作為研究涂層光學(xué)性能的專門理論。目前應(yīng)用較廣的等效介質(zhì)理論有Maxwell-Garnett理論（簡(jiǎn)稱M-G理論）、Bruggeman理論（簡(jiǎn)稱Br理論）以及Ping-Sheng理論（簡(jiǎn)稱P-S理論）［1］。

2　Maxwell-Garnett理論

MG理論模型簡(jiǎn)單，適用于金屬體積分?jǐn)?shù)很低或很高的金屬介質(zhì)復(fù)合薄膜光學(xué)常數(shù)計(jì)算。金屬介質(zhì)復(fù)合薄膜材料的介電特性及光譜特性與復(fù)合體每一組分的微結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系，在這方面已經(jīng)進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究。

3　Bruggeman理論

Br理論是Bruggeman于1936年提出的稱為聚集勢(shì)近似模型，該理論認(rèn)為，當(dāng)兩種材料A和B體積相當(dāng)，它們具有同等的地位，兩種材料隨機(jī)地相互連接成混合物，形成聚合組織結(jié)構(gòu)Br理論適用于金屬和介質(zhì)體積相當(dāng)?shù)膹?fù)合薄膜光學(xué)常數(shù)的計(jì)算。清華大學(xué)楊曉繼等人利用Bruggeman理論可以計(jì)算出不同金屬體積分?jǐn)?shù)下復(fù)合Al-AlN的介電常數(shù)，從而得到復(fù)合材料的光學(xué)常數(shù)（折射率n、消光系數(shù)k）。

4　Ping-Sheng理論

Ping Sheng理論微結(jié)構(gòu)模型和Br理論模型類似，前者考慮了電介質(zhì)的不規(guī)則性和近鄰晶粒之間的相互作用，對(duì)金屬體積分?jǐn)?shù)作了適當(dāng)修正，使得理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為接近。悉尼大學(xué)的Zhang QC等使用Ping sheng理論模擬出 Mo-Al2O3金屬陶瓷膜的光學(xué)常數(shù)，并優(yōu)化設(shè)計(jì)得到了光學(xué)性能良好的Mo-Al2O3選擇性吸收涂層［4］。

根據(jù)以上分析發(fā)現(xiàn)，等效理論模型計(jì)算已經(jīng)成為預(yù)測(cè)涂層性能的重要手段。在以上三種模型中，Maxwell-Garnett理論和Bruggeman理論是應(yīng)用比較廣泛的兩種模型，較為成熟。

［1］ Shuxi Zhao，The optical properties of sputtered composite of Al-Al N［J］.Solar Energy Materials and Solar Cells，2006，90：1861-1874.

［2］ 周瓏，王天民.Mo-Al2O3金屬陶瓷顆粒膜的光學(xué)常數(shù)研究［J］.稀有金屬材料與工程，2007，36（5）：825-829.

［3］ 王佩紅，蔡琪，王磊，等.有效介質(zhì)理論在Ag-Mg F2復(fù)合納米顆粒薄膜中的應(yīng)用［J］.真空科學(xué)與技術(shù)，2003，（6）：413-416.

［4］ Qi-Chu Zhang，Yongbai Yin，David R.Mills.High efficiency Mo-Al203 cermet selective surfaces for high-temperature application J.Solar Energy Materials and Solar Cells，1996，40：43-53.

［5］ 索妮，張敏，王菲菲，趙雙.光譜選擇吸收涂層的膜層設(shè)計(jì)與優(yōu)化［C］.第十屆全國(guó)表面工程大會(huì)暨第六屆全國(guó)青年表面工程論壇論文集（二）.2014.

［6］ 余麗娜，江紹基.光譜選擇性吸收薄膜的優(yōu)化設(shè)計(jì)［C］//2013年廣東省真空學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2013.

［7］ 余麗娜，江紹基.太陽(yáng)光譜選擇性吸收薄膜的研究［C］//中國(guó)真空學(xué)會(huì)2014學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要集.2014.

Study on Optimal Design of Absorption Coatings by Spectrum Selective Design

Zhang En-yao

Outlines the development of spectrally selective absorbing coating，and the theory of three analog Maxwell-Garnett，Bruggeman theory and Ping-Sheng theory calculation theory gives a brief introduction.

selective absorbing coating；optimization design；Research Status

TK02

A

1003-6490（2016）05-0203-01

2016-05-10

陜西省教育廳2014年科學(xué)研究項(xiàng)目計(jì)劃（14JK1366）。

張恩耀（1981—），男，陜西西安人，講師，主要研究方向?yàn)榇判约靶履茉床牧稀?/p>