高熵合金通常被定義為含有5個(gè)以上主元素的固溶體，且每個(gè)元素的摩爾比為5~35%。作為合金材料界的新秀，它的問世打破了傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)理念。高熵合金具有優(yōu)異的力學(xué)、耐高溫、耐磨、耐蝕、抗輻照等性能，在很多領(lǐng)域均展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

近期，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所（簡稱中科院蘭州化物所）環(huán)境材料與生態(tài)化學(xué)研究發(fā)展中心傳來消息：高祥虎副研究員、劉剛研究員帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，通過組分調(diào)控、構(gòu)型熵優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成功制備了系列高熵合金基高溫太陽能光譜選擇性吸收涂層。

研究人員設(shè)計(jì)了一種由紅外反射層鋁、高熵合金氮化物、高熵合金氮氧化物和二氧化硅組成的彩色太陽能光譜選擇性吸收涂層，其吸收率可達(dá)93.5%，發(fā)射率低于10%。相關(guān)研究成果發(fā)表在Solar Energy Materials and Solar Cells（2020,209,110444）、Solar Energy Materials and Solar Cells（2020,217,110709）上。

研究人員發(fā)現(xiàn)單層的高熵合金氮化物陶瓷也具有良好的本征吸收特性，因此，制備了一種結(jié)構(gòu)簡單的涂層。他們以高熵合金氮化物作為吸收層，SiO?或Si?N?作為減反射層，得到的涂層吸收率可達(dá)92.8%，發(fā)射率低于7%，并可在650℃的真空條件下穩(wěn)定300小時(shí)。相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A（2021,9,6413-6422）、ACS Applied Materials&Interfaces（2021,13,16987-16996）、ACS Applied Energy Materials（2021,4,8801–8809）上。

圖1光學(xué)模擬結(jié)合磁控濺射方法制備太陽能光譜選擇性吸收涂層

為進(jìn)一步提升涂層吸收能力，研究人員選用不銹鋼作為基底，低氮含量高熵合金薄膜作為主吸收層，高氮含量高熵合金薄膜作為消光干涉層，SiO?、Si?N?、Al?O?作為減反射層，形成了從基底到表面光學(xué)常數(shù)逐漸遞減的結(jié)構(gòu)（圖1）。通過光學(xué)設(shè)計(jì)軟件（CODE）進(jìn)行優(yōu)化，利用反應(yīng)磁控濺射的方法制備，提高了制備效率。涂層吸收率可達(dá)96%，熱發(fā)射率被抑制到低于10%。研究人員通過時(shí)域有限差分法（FDTD）研究了涂層光吸收機(jī)制。通過長期熱穩(wěn)定性研究，結(jié)果表明高熵合金氮化物吸收涂層在600℃真空條件下，退火168小時(shí)后依舊保持良好的光學(xué)性能。計(jì)算了涂層在不同工作溫度和聚光比的光熱轉(zhuǎn)化效率，當(dāng)工作溫度為550℃、聚光比為100時(shí)，涂層的光熱轉(zhuǎn)化效率能達(dá)到90.1%。相比近期國內(nèi)外報(bào)道的相關(guān)研究工作，該涂層顯示出優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效率和熱穩(wěn)定性（圖2）。

圖2光譜選擇性吸收機(jī)制和熱穩(wěn)定性研究

研究人員通過將吸收涂層沉積在不同基底材料上，制備的涂層依然保持優(yōu)異的光學(xué)性能，并在鋁箔上實(shí)現(xiàn)了涂層的大規(guī)模制備。通過對(duì)不同入射角的吸收譜圖研究發(fā)現(xiàn)，吸收涂層在入射光角度為0-60°的范圍內(nèi)都具有良好的吸收率。研究人員模擬太陽光對(duì)吸收器表面進(jìn)行照射，在太陽光照射下，涂層表面的溫度超過100℃，表明該材料在界面水蒸發(fā)研究領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A（2021 9,21270-21280）、Solar RRL（2021,5,2000790）、Journal of Materiomics（2021,7,460-469(invited)）上。

上述工作開發(fā)了兼具優(yōu)異光學(xué)性能和耐高溫性能的高溫太陽能光譜選擇性吸收涂層，拓展了高熵合金在新能源材料領(lǐng)域的功能應(yīng)用。何成玉博士生為上述論文第一作者。

該工作得到了中科院青促會(huì)（2018455）、中科院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃區(qū)域重點(diǎn)項(xiàng)目（KFJ-STS-QYZD-139）和甘肅省重大科技項(xiàng)目（20ZD7GF011）的支持。

來源：中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所環(huán)境材料與生態(tài)化學(xué)研究發(fā)展中心。