Dissertação de mestrado em Física - Formação Contínua de ProfessoresO 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