Avaliação da influência dos parâmetros de fabricação e da adição de camadas antirreflexivas em filmes absorvedores de Cr-Cr2O3 obtidos via magnetron sputtering
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2022 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB |
Texto Completo: | https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/24496 |
Resumo: | The growth in the field of solar energy faces several barriers due to its high cost and operational limitations of energy harvesting systems. An alternative to optimize the performance of solar thermal conversion systems comes from the application of selective surfaces on the absorber plates. This work proposes to produce absorbent films based on chromium (Cr-Cr2O3) on stainless steel substrates with different surface treatments (electropolished and cleaned with a degreasing bath) and to evaluate the effect of adding anti-reflective layers (AR) of silica (SiO2) and alumina (Al2O3) on their optical properties. The black chromium films were produced by the Magnetron sputtering technique from the variation of three deposition parameters (working distance, power and time). After their manufacture, the films obtained with the parameters that provided the highest absorbances, which were above 70%, were covered with the anti-reflective layers of SiO2 and Al2O3, separately. The samples were submitted to the cross-hatch adhesion test and characterized using UV-vis Spectrophotometry, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and Optical Profilemetry. The results showed that the black chromium coatings produced contributed to a significant increase in the level of solar absorption in relation to the non-deposited substrate, mainly in those deposited on the cleaned substrate with a degreasing bath. Regarding the deposition parameters, the highest working power (100 W) and the shortest deposition time (30 minutes) provided films with the highest absorbances for both working distances (110 and 150 mm). The black chromium films selected showed absorbance levels between 70.87% and 74.31%, with small standard deviations, indicating high reproducibility of the deposition technique. The inclusion of anti-reflective coatings kept the films' absorptive properties practically stable, but caused a significant reduction in the emissivity of the analyzed coatings, with silica providing the greatest reduction at all analyzed temperatures. The estimated band gaps had values ranging from 1.18 to 4.74 eV. The highest band gap values are associated with the presence of Cr-Cr2O3. Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) showed characteristic bands of vibration of Cr2O3 and Si-O-Si bonds. The results of Optical Profilemetry indicate that the absorbance of the coatings was favored by the higher roughness of the substrates cleaned with a degreasing bath. The adhesion test showed excellent adhesion of the films to the substrate. |
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Avaliação da influência dos parâmetros de fabricação e da adição de camadas antirreflexivas em filmes absorvedores de Cr-Cr2O3 obtidos via magnetron sputteringEnergia solarFilmes absorvedoresMagnetron sputteringCromo negroSílicaAluminaSolar energyAbsorbing filmsBlack chromiumCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICAThe growth in the field of solar energy faces several barriers due to its high cost and operational limitations of energy harvesting systems. An alternative to optimize the performance of solar thermal conversion systems comes from the application of selective surfaces on the absorber plates. This work proposes to produce absorbent films based on chromium (Cr-Cr2O3) on stainless steel substrates with different surface treatments (electropolished and cleaned with a degreasing bath) and to evaluate the effect of adding anti-reflective layers (AR) of silica (SiO2) and alumina (Al2O3) on their optical properties. The black chromium films were produced by the Magnetron sputtering technique from the variation of three deposition parameters (working distance, power and time). After their manufacture, the films obtained with the parameters that provided the highest absorbances, which were above 70%, were covered with the anti-reflective layers of SiO2 and Al2O3, separately. The samples were submitted to the cross-hatch adhesion test and characterized using UV-vis Spectrophotometry, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and Optical Profilemetry. The results showed that the black chromium coatings produced contributed to a significant increase in the level of solar absorption in relation to the non-deposited substrate, mainly in those deposited on the cleaned substrate with a degreasing bath. Regarding the deposition parameters, the highest working power (100 W) and the shortest deposition time (30 minutes) provided films with the highest absorbances for both working distances (110 and 150 mm). The black chromium films selected showed absorbance levels between 70.87% and 74.31%, with small standard deviations, indicating high reproducibility of the deposition technique. The inclusion of anti-reflective coatings kept the films' absorptive properties practically stable, but caused a significant reduction in the emissivity of the analyzed coatings, with silica providing the greatest reduction at all analyzed temperatures. The estimated band gaps had values ranging from 1.18 to 4.74 eV. The highest band gap values are associated with the presence of Cr-Cr2O3. Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) showed characteristic bands of vibration of Cr2O3 and Si-O-Si bonds. The results of Optical Profilemetry indicate that the absorbance of the coatings was favored by the higher roughness of the substrates cleaned with a degreasing bath. The adhesion test showed excellent adhesion of the films to the substrate.Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPqO crescimento no campo da energia solar enfrenta diversas barreiras devido ao seu custo elevado e as limitações operacionais dos sistemas de aproveitamento da energia. Uma alternativa para otimizar o desempenho dos sistemas de conversão solar térmica se dá a partir da aplicação de superfícies seletivas nas placas absorvedoras. Este trabalho se propõe a produzir filmes absorvedores a base de cromo (Cr-Cr2O3) sobre substratos de aço inoxidável com diferentes tratamentos superficiais (eletropolidos e limpos com banho desengordurante) e avaliar o efeito da adição de camadas antirreflexivas (AR) de sílica (SiO2) e alumina (Al2O3) sobre as suas propriedades ópticas. Os filmes de cromo negro foram produzidos pela técnica de Magnetron sputtering a partir da variação de três parâmetros de deposição (distância de trabalho, potência e tempo). Após sua fabricação, os filmes obtidos com os parâmetros que proporcionaram as maiores absortâncias, sendo estas acima de 70%, foram recobertos com as camadas antirreflexivas de SiO2 e Al2O3, separadamente. As amostras foram submetidas ao teste de adesão por hachura cruzada e caracterizadas utilizando as técnicas de Espectrofotometria de UV-Vis, Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR) e Perfilometria óptica. Os resultados mostraram que os revestimentos de cromo negro produzidos contribuíram para um aumento significativo do nível de absorção solar em relação ao substrato não-depositado, principalmente naqueles depositados sobre o substrato limpo com banho desengordurante. Com relação aos parâmetros de deposição, a maior potência de trabalho (100 W) e o menor tempo de deposição (30 minutos) forneceram filmes com as maiores absortâncias para ambas as distâncias de trabalho (110 e 150 mm). Os filmes de cromo negro selecionados apresentaram níveis de absortância entre 70,87% e 74,31%, com pequenos desvios padrões, indicando alta reprodutibilidade da técnica de deposição. A inclusão dos revestimentos antirreflexivos manteve as propriedades absortivas dos filmes praticamente estáveis, mas provocaram uma redução significativa da emissividade dos revestimentos analisados, tendo a sílica proporcionado a maior redução em todas as temperaturas analisadas. Os band gaps estimados tiveram valores variando de 1,18 a 4,74 eV. Os valores mais elevados de band gap estão associados a presença de Cr-Cr2O3. A Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR) exibiu bandas características da vibração de ligações de Cr2O3 e de Si-O-Si. Os resultados da Perfilometria Óptica indicam que a absortância dos revestimentos foi favorecida pela rugosidade mais elevadas dos substratos limpos com banho desengordurante. O teste de adesão evidenciou a excelente adesão dos filmes ao substrato.Universidade Federal da ParaíbaBrasilEngenharia MecânicaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaUFPBGomes, Kelly Cristianehttp://lattes.cnpq.br/0678485152961068Galvão, Gabriela Oliveira2022-09-16T18:25:29Z2022-07-112022-09-16T18:25:29Z2022-04-29info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/24496porAttribution-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPBinstname:Universidade Federal da Paraíba (UFPB)instacron:UFPB2022-10-25T13:04:10Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/24496Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufpb.br/PUBhttp://tede.biblioteca.ufpb.br:8080/oai/requestdiretoria@ufpb.br|| diretoria@ufpb.bropendoar:2022-10-25T13:04:10Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false |
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