О применении покрытий из черного никеля (сплав Ni — Zn — S), нанесенных на высокоотражающие металлические подложки, в качестве селективных поверхностей солнечных установок впервые сообщил Тейбор в 1955 г. [64, 207 — 209 ]. За последние два десятилетия в ряде стран освоено промышленное производство поглощающих селективных поверхностей для солнечных водонагревателей методом электрохимического осаждения. Всесторонние исследования покрытий из черного никеля на подложках из нержавеющей и малоуглеродистой стали, а также малоуглеродистой стали с подслоем никеля проводились в последние годы в Льюисском научно-исследовательском центре НАСА [210], в фирме "Ханиуэлл" [211] и в ряде других учреждений [212 - 216]. Покрытие из черного никеля наносится на подложку, служащую катодом в электрохимической ванне, заполненной водным электролитом следующего состава [ 208 ]:
В скобках указаны цифры из работы [ 210]. Показатель pH раствора должен быть равным примерно 4, в качестве анода следует использовать чистый никель. Рабочая температура ванны 30°С. Продолжительность процесса 2-4 мин при плотности тока 2 мА/см2. Продолжительность процесса осаждения зависит от природы подложки и температуры ванны.
Рис. 5.3.2. Спектральная отражательная способность двухслойного покрытия из черного никеля на стальной подложке с подслоем никеля [211].
Свойства покрытия улучшаются, если на подложку предварительно нанесен слой блестящего никеля, который выравнивает поверхность и повышает ее отражательную способность относительно теплового ИК-излучения. Покрытие из блестящего никеля можно нанести на подложку из малоуглеродистой или оцинкованной стали в ванне с электролитом следующего состава:
Подложка служит катодом, температура ванны 50 — 55°С. Показатель pH раствора имеет значение, примерно равное 4, плотность тока 3,5 - 4,5 мА/см2. После удаления из ванны пластины промывают водой и спиртом и высушивают на воздухе.
Применяя разработанную Тейбором технологию, Мар и др. [211] получили двухслойное покрытие из черного никеля, отражательная способность которого имеет широкий минимум в области солнечного спектра. Два слоя формировались при изменении плотности тока в процессе осаждения покрытия. Тейбор показал, что при таком способе нанесения стабильными являются слои двух составов с различным содержанием цинка. Спектральная отражательная способность двухслойного черного никеля, осажденного на подложку из стали с подслоем никеля, представлена на рис. 5.3.2. Возрастание поглощательной способности покрытий из черного никеля обусловлено явлением интерференции и свойствами самого материала. На рис. 5.3.3 представлены спектральные отражательные способности покрытий из черного никеля на подложке из нержавеющей стали при различных длительностях процесса осаждения.
Рис. 5.3.3. Спектральные отражательные способности покрытий из черного никеля на подложке из нержавеющей стали, полученных при плотности тока 9,6 А/м2 и различных значениях длительности процесса осаждения [ 210 ].
Длительность процесса осаждения: 1—0 мин; 2-2 мин; 3 — 6 мин; 4-15 мин.
Для сравнения там же представлена спектральная отражательная способность идеальной селективной поверхности преобразователя солнечной энергии. Видно, что с увеличением длительности процесса осаждения поглощательная способность покрытия сначала быстро возрастает при одновременном очень небольшом росте степени черноты. Затем по достижении максимального значения поглощательной способности степень черноты начинает расти быстрее. Следовательно, в каждом конкретном случае можно выбрать длительность процесса осаждения покрытия, обеспечивающую максимальную поглощательную способность относительно солнечного излучения при минимальной степени черноты. Оптимальные значения этих величин, достигнутые при электрохимическом методе осаждения черного никеля на подложку из нержавеющей стали [210], составляли 0,84 и 0,18 соответственно. Для покрытий из черного никеля на подложке из никеля лучшими являются следующие результаты: αs =0,96 и εт = 0,07, однако такие покрытия недостаточно влагостойкие [212]. С увеличением толщины покрытия этот показатель несколько улучшается, но одновременно повышается степень черноты. Показано [213], что в воздушной среде покрытия из черного никеля нестабильны при температуре 310°С, а в случае комбинированного воздействия тепла и влаги - при более низкой температуре.
