Ab initio расчет электронной структуры и оптических свойств карбида вольфрама в TiCN.

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 9407 (2023) Цитировать эту статью

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Мы представляем расчет ab initio, позволяющий понять электронную структуру и оптические свойства карбида вольфрама WC, являющегося основным компонентом кермета на основе TiCN. Кермет на основе TiCN широко используется в качестве режущего инструмента и после использования, как обычно, выбрасывается. С другой стороны, металлокерамика сама по себе также является известным ингредиентом пленки, поглощающей солнечные лучи. Мы обнаружили, что WC имеет довольно низкоэнергетическое плазменное возбуждение \(\sim\) 0,6 эВ (2 \(\upmu\)m) и поэтому может быть хорошей составляющей солнечного селективного поглотителя. Оцененная добротность фототермического преобразования заметно выше по сравнению с показателями других материалов, входящих в кермет на основе TiCN. Мнимая часть диэлектрической функции значительно мала вблизи нулевой точки действительной части диэлектрической функции, соответствующей энергии возбуждения плазмы. Таким образом, появился четкий край плазмы, обеспечивающий высокую эффективность WC в качестве поглотителя солнечной энергии. Это интересный аспект, поскольку использованный металлокерамический режущий инструмент на основе TiCN можно переработать в пленку, поглощающую солнечную энергию, после соответствующей обработки и модификаций.

В последние годы интенсивно исследуются вопросы замены ископаемого топлива возобновляемыми источниками энергии. Солнечная энергия считается многообещающей альтернативой для решения глобальных энергетических проблем из-за ее обилия1. Изучение устойчивых и экологически чистых технологий считается важным для практического использования солнечной энергии. Фотоэлектрическое преобразование является наиболее распространенной технологией прямого получения электроэнергии из солнечной энергии. С другой стороны, солнечные поглотители на основе кермета также коммерциализируются для получения тепловой энергии из солнечного света2. Концентрированная солнечная электростанция – одна из проверенных технологий, которая вырабатывает электроэнергию с помощью паровой турбины. Тепловая энергия может храниться для выработки электроэнергии, когда солнце больше не светит. Хранение тепловой энергии значительно дешевле, чем другие системы хранения энергии (например, батареи)3. Однако были выявлены три ограничения искусственного поглотителя солнечной энергии для улучшения солнечной тепловой системы4. Во-первых, солнечные поглотители с высокой эффективностью изготавливаются посредством сложных конструкций с использованием метаматериалов с субволновой структурой. Во-вторых, традиционные методы подготовки требуют дорогостоящего оборудования для вакуумного осаждения и мишеней высокой чистоты для создания многослойной поверхности. В-третьих, термическая стабильность недостаточна для сохранения их спектрально-селективного поглощения при длительной высокотемпературной эксплуатации.

Кермет представляет собой композит металла и керамики, обладающий твердостью, термической стабильностью и антиокислительными свойствами. Типичный солнечный поглотитель показан на рис. 1а1,2. Поглотитель солнечной энергии на основе металлокерамики состоит из металлокерамического слоя в качестве поглотителя с просветляющим слоем сверху и отражателем инфракрасного излучения снизу. Селективный поглотитель солнечной энергии играет важную роль в достижении высоких характеристик в качестве поглотителя солнечной энергии. Мощность излучения черного тела значительно увеличивается при высокой температуре, что приводит к большим потерям тепла на излучение от поглотителя. Идеальный селективный поглотитель солнечной энергии должен иметь высокое поглощение солнечной энергии и низкий коэффициент теплового излучения, как показано зеленой линией на рис. 1b с предельной длиной волны 2,0 мкм5. Поглотители на основе металлокерамики хорошо исследованы на примере оксидов с металлическими частицами. Диэлектрическая функция композита контролируется путем увеличения объемной доли металла для уменьшения частот пиков поглощения, анализируемых в приближении Брюггемана3.

(а) Схематическое изображение солнечного поглотителя на основе кермета, состоящего из просветляющего слоя, керметного слоя и слоя, отражающего инфракрасное излучение. (б) Схематическое изображение, показывающее оптические характеристики, необходимые для поглотителя солнечной энергии. Красная сплошная кривая описывает спектральную мощность солнечного света в диапазоне от 0,3 до 2,0 мкм, а синяя сплошная кривая представляет собой спектральную мощность теплового излучения черного тела. Таким образом, 2 \(\upmu\)m — это граничная длина волны, обеспечивающая высокое поглощение солнечной энергии и низкую теплоотдачу. В идеале в качестве поглотителя солнечного излучения предпочтителен материал со спектром поглощения \(A(\lambda)\), обозначенным зеленой сплошной линией.