Yüksek Entropi Alaşımlarına Dayalı Kaplamalar
Alaşımlı malzeme dünyasında yeni bir oyuncu olarak yüksek entropili alaşımlar, beşten fazla elemente sahip oldukları için geleneksel alaşım tasarım konseptinde beklentileri aşar ve yüksek konfigürasyon entropileri nedeniyle genellikle basit bir katı çözelti yapısı sergiler.
Mükemmel mekanik özellikleri, ısıya dayanma yeteneği ve ayrıca aşınma, korozyon ve ışınlamaya karşı dirençleri ile yüksek entropi alaşımları, yenilenebilir enerji endüstrisinde büyük gelişme potansiyeline sahiptir.
Son dönemlerde, Çin Bilimler Akademisi’nin (CAS) Lanzhou Kimyasal Fizik Enstitüsü’nde Doçent GAO Xianghu ve Profesör LIU Gang tarafından yönetilen bir araştırma ekibi,
bileşen modülasyonu, konformasyonel entropi optimizasyonu ve yüksek entropi nitrürleri kullanan yapısal tasarım yoluyla bir dizi yüksek entropi alaşımı bazlı, yüksek sıcaklık,
güneş seçici emici kaplama hazırladılar.
Araştırmacılar, yüzde 93,5’lik yüksek bir güneş emilimi ve yüzde 10’dan daha az bir termal yayılım sağlayan ve kızılötesi yansıtıcı alüminyum tabakası, yüksek entropi alaşımlı nitrür, yüksek entropi alaşımlı nitrojen oksit ve silikon dioksitten oluşan güneş ışığı seçici bir emici kaplama tasarladılar.
Daha sonra, tek bir yüksek entropi alaşımlı nitrür seramik tabakasının da iyi içsel absorpsiyon özelliklerine sahip olduğunu buldular ve bu nedenle basit bir yapıya sahip bir
kaplama hazırladılar.
Absorpsiyon katmanı olarak yüksek entropi alaşımlı nitrür ve yansıma önleyici katman olarak Si02 veya Si3N4 kullandılar ve 300 saat boyunca 650 santigrat derecede bir vakumda uygun termal stabilite gösteren yüzde 92.8 absorpsiyon ve yüzde 7’den az emisyon ile bir kaplama elde ettiler.
Soğurucunun soğurma kapasitesini daha da artırmak için, araştırmacılar substrat olarak paslanmaz çeliği, ana absorpsiyon katmanı olarak düşük nitrojen içerikli yüksek entropi alaşımlı filmleri, yok olma girişim katmanı olarak yüksek nitrojen içerikli yüksek entropi alaşımlı filmleri ve yansıma önleyici katman olarak SiO2, Si3N4 veya Al2O3, alt tabakadan yüzeye kademeli olarak azalan optik sabitlere sahip bir yapı oluşturur.
Hazırlama verimliliğini artırmak için optik simülasyon ve magnetron püskürtme yöntemlerinin bir kombinasyonu kullanıldı, bu da yüzde 96’lık mükemmel bir güneş absorpsiyonuna ve yüzde 10’dan daha düşük bir düşük termal emisyona katkıda bulundu.
Daha sonra, sonlu farklar zaman alanı simülasyonunu kullanarak ışık absorpsiyon mekanizmasını araştırdılar. Vakumda 600 santigrat derecede 168 saat tavlandıktan sonra, yüksek entropi alaşımlı, nitrür bazlı emici, olağanüstü termal stabiliteyi gösteren iyi optik özellikleri korudu.
Soğurucunun fototermal dönüşüm verimliliği, farklı çalışma sıcaklıkları ve konsantrasyon oranlarında hesaplanmış ve çalışma sıcaklığı 550 santigrat derece ve 100 güneş olduğunda
verim yüzde 90,1’e ulaşabilmiştir.
Son zamanlarda bildirilen en son teknoloji ürünü soğurucu ile karşılaştırıldığında, yüksek entropi alaşımı bazlı soğurucu, hem mükemmel fototermal dönüşüm verimliliği hem de termal kararlılık sergiledi.
Soğurucular, mükemmel optik özellikleri koruyan ve alüminyum folyo üzerinde büyük ölçekli hazırlık sağlayan farklı substrat malzemeleri üzerine yerleştirildi. Farklı geliş açılarında absorpsiyon spektrumlarının incelenmesi yoluyla, absorpsiyon kaplamasının 0-60°’lik gelen ışık açısı aralığında iyi absorpsiyona sahip olduğu bulundu.
Simüle edilmiş güneş ışığından gelen radyasyon altında, kaplama yüzeyinin sıcaklığı 100
santigrat dereceyi aştı, bu da malzemenin arayüzey su buharlaşması alanında uygulanmak için büyük bir potansiyele sahip olduğunu gösteriyor.
Kaynak ve Daha Fazla Bilgi için:
• Hui-Xia Guo et al, A novel multilayer high temperature colored solar absorber coating based on high-entropy alloy MoNbHfZrTi: Optimized preparation and chromaticity investigation, Solar Energy Materials and Solar Cells (2020). DOI: 10.1016/j.solmat.2020.110444
• Cheng-Yu He et al, Further investigation of a novel high entropy alloy MoNbHfZrTi based solar absorber coating with double antireflective layers, Solar Energy Materials and Solar Cells (2020). DOI:10.1016/j.solmat.2020.110709
• Cheng-Yu He et al, Scalable and highly efficient high temperature solar absorber coatings based on high entropy alloy nitride AlCrTa- TiZrN with different antireflection layers, Journal of Materials Chemistry A (2021). DOI: 10.1039/D0TA09988K
• Cheng-Yu He et al, Highly Enhanced Thermal Robustness and Photothermal Conversion Efficiency of Solar-Selective Absorbers Enabled by High-Entropy Alloy Nitride MoTaTiCrN Nanofilms, ACS Applied Materials & Interfaces (2021). DOI: 10.1021/acsami.0c23011
• Cheng-Yu He et al, Toward a Scalable and Cost-Conscious Structure in Spectrally Selective Absorbers: Using High-Entropy Nitride TiVCrAlZrN, ACS Applied Energy Materials (2021). DOI: 10.1021/acsaem.1c00918
• Cheng-Yu He et al, Scalable and Ultrathin High‐Temperature Solar Selective Absorbing Coatings Based on the High‐Entropy Nanoceramic AlCrWTaNbTiN with High Photothermal Conversion Efficiency, Solar RRL (2021). DOI: 10.1002/solr.202000790
• Cheng-Yu He et al, Greatly enhanced solar absorption via high entropy ceramic AlCrTaTiZrN based solar selective absorber coatings, Journal of Materiomics (2020). DOI: 10.1016/j.jmat.2020.11.010
• Journal information: Solar Energy Materials and Solar Cells , Journal of Materials Chemistry A , ACS Applied Materials and Interfaces.
• https://phys.org/news/2021-10-high-entropy-alloysbased-hightemperature-solar-absorption-coatings.html
