Otimização das propriedades de barreira de um sistema em multicamada para absorção seletiva da luz solar

• Author(s): Soares, Sandra Branco
• Date: 2012
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/1822/23033
• Origin: RepositóriUM - Universidade do Minho
• Subject(s): 620.1; 620.91
• Document Type: Master thesis
• Language: Portuguese
• Advisor(s): Rebouta, L.
• Contributor(s): Universidade do Minho

Description

Dissertação de mestrado em Física - Formação Contínua de Professores

O presente trabalho tem como principal objetivo o desenvolvimento e otimização de um sistema de multicamadas para absorção seletiva da radiação solar. Para isso, prepararam-se revestimentos das camadas individuais de TiAlNx, TiAlNxOy e SiO2 com diferentes condições de deposição, essencialmente através da variação do fluxo dos gases reativos. As duas primeiras camadas foram depositadas por pulverização catódica em magnetrão e a última por deposição química de vapores (CVD). Em seguida, realizou-se a caracterização ótica destas camadas individuais por medidas de transmitância e refletância para efetuar o respetivo cálculo das contantes óticas espetrais, com o auxílio do software SCOUT. Por fim, utilizando as constantes óticas das camadas individuais, efetuou-se a simulação de uma multicamada, com os requisitos definidos em termos de perfil ótico e as espessuras obtidas para a amostra 1 foram de 65 nm para a camada de TiAlNx (com fluxo de N2 de 2,5 sccm), de 51 nm para a camada de TiAlNxOy (com fluxo de N2/O2 de 4,25 sccm) e 100 nm para a de SiO2. A deposição desta multicamada foi efetuada de acordo com as espessuras e parâmetros considerados na simulação. Com esta amostra 1 obteve-se uma emissividade de 8% e um coeficiente de absorção solar de 95,50%. A amostra foi sujeita a um tratamento térmico ao ar durante 600 h a 278ºC, sendo que o coeficiente de absorção diminuiu 0,39% e a emissividade aumentou 1%, apresentando assim um critério de desempenho de 0,009, o que garante uma durabilidade de 25 anos se implementado numa aplicação de aquecimento de água para uso doméstico. Com o intuito de estudar a influência do número de camadas, mantendo a espessura total, na resistência à corrosão dos revestimentos para absorção seletiva da luz solar produziram-se três novas multicamadas, do tipo (TiAlNx/TiAlNxOy)n/SiO2 (n inteiro de 1 a 5) tendo por base as espessuras de TiAlNx e de TiAlNxOy da amostra 1. Para isso, em vez de duas camadas (nitreto e oxinitreto) foram depositadas 5, 9 e 11 camadas, respetivamente (n= 2, 4 e 5) com deposição alternada de nitreto e oxinitreto, de modo que a espessura total em cada amostra continuasse a mesma. Todas estas amostras tinham um coeficiente de absorção menor que o da amostra 1. Em termos de resistência à oxidação o desempenho destas amostras foi também inferior ao da amostra 1, embora só a amostra com 11 camadas (n=5) não tenha passado o critério de desempenho.

The main objective of this work is the development and optimization of a multilayer system for selective absorption of solar radiation. In order to achieve our aim, individual layers of TiAlNx, TiAlNxOy and SiO2 were prepared with different deposition conditions, mainly by varying the flow of reactive gases. The first two layers were deposited by magnetron sputtering and the latter by chemical vapour deposition (CVD). The next step was performed the optical characterization of these individual layers by reflectance and transmittance measurements and the respective calculation of spectral optical constants by the use of the SCOUT software. Finally, by using the optical constants of the individual layers, it was performed a simulation of a multilayer with the defined requisites in terms of optical profile and the thicknesses obtained for sample 1 were 65 nm for the layer TiAlNx (with N2 flow of 2.5 sccm), 51 nm for the layer TiAlNxOy (with the N2/O2 flow of 4.25 sccm) and 100 nm for SiO2. The deposition of multilayer was conducted in accordance with the thicknesses and parameters considered in the simulation. For sample 1 the emissivity was 8% and the solar absorption coefficient was 95.50%. The sample was subjected to a heat treatment during 600 h at 278ºC, the absorption coefficient decreased 0.39% and the emissivity increased 1%, thus presenting a performance criterion of 0,009, which ensures a durability of 25 years if implemented in an application for heating water for domestic use. In order to study the influence of the number of layers, keeping the total thickness, in the corrosion resistance of coatings for selective absorption of solar light three new multilayer were produced: (TiAlNx/TiAlNxOy)n/SiO2 ( n integer 1 to 5) based on the thickness of TiAlNx and TiAlNxOy of sample 1. For this purpose, instead of two layers (nitride and oxynitride) 5, 9 and 11 layers were deposited, respectively (n = 2, 4 and 5) with alternated deposition of nitride and oxynitride, so that the overall thickness in each sample remained unchanged. All these samples had a smaller absorption coefficient than that of sample 1. As far as oxidation resistance is concerned the performance of these samples was also inferior to that of sample 1, although the sample with 11 layers (n=5) has not passed the performance criterion.