陶瓷金卤灯的发展及关键技术

陶瓷金卤灯的发展及关键技术Ⅰ引言陶瓷金卤灯是当前各类光源中功能最为完善，性能最为优越的灯种，其光效可达110lm/W，甚至更高，即使小功率灯亦可达85lm/W以上；其显色性通常不低于85，并且很容易达到95以上；目前最好的灯的寿命能达到15000小时，即使常规产品也不难达12000小时；灯功率范围则多在20W~400W之间。由于此种灯目前只在欧美市场大面积推广，按用户需要色温多在4000°K以下，通常不会超过5000K，如在亚洲得到普及，亚洲人种可能更喜爱较高色温，那时色温范围可能扩展为3000K~6000K。陶瓷金卤灯是在高压钠灯和石英金卤灯的基础上发展起来的，然而其用途已远超二者。其高显色性使之可以大量取代白炽灯和卤素灯，特别是小功率类型如20W、35W（39W）、50W、70W等亦已广泛用于室内甚至家庭照明。而中功率灯种由于其高显色性、高光效和长寿命，虽成本较高但亦已较广泛用于室内外，举如机场、车站、商场、旅店大堂、餐厅等，在欧洲处处可以看到陶瓷金卤灯的使用。目前陶瓷金卤灯的生产和使用主要集中在欧洲及北美洲，世界陶瓷金卤灯产量正以每年30%以上的速度增加，但仍有供不应求之势。由于技术难度很大，加以知识产权问题，目前仍然只是GE、Philips和Osram三大公司生产。我国多处都在研发但均未成功，研发此种光源所面临的不只是很难攻克的材料和技术关键，还有更难处理的知识产权问题，目前我国政府正在大力整顿和保护知识产权，这使陶瓷金卤灯的专利问题变得更为复杂而困难。Ⅱ陶瓷金卤灯的研发20世纪60年代中期GE首先研发出半透明陶瓷管，并成功用于高压钠灯生产，当时虽然金卤灯的研发尚未完成，但已有人试图将这种半透明陶瓷用之于早期的金卤灯研发。80年代初期，金卤灯已经成熟，很多研究者也已发现石英金卤灯电弧管壳的诸多缺点并试图以半透明陶瓷管代替，从而改进金卤灯性能，因此加紧了陶瓷金卤灯的研发。石英玻壳金卤灯的主要缺点是：1、钠的渗漏造成的色温和光效漂移。2、石英管壳的极限温度为1000℃，冷点温度约为900℃，而多数灯用金属卤灯物的汽化温度在1200℃左右(NaI1300℃、TlI824℃、InI711℃、DyI31300℃、ScI31300℃……)。在正常工作状态下管壳温度不足以使金属卤化物全部蒸发，总有多种熔融态金属卤化物在泡壳中沉积，并随环境及使用情况（如水平点燃或垂直点燃等）而变化，这使灯的光效和色温不能稳定。3、在使用条件严酷时（如壁负荷过高）则易失透而造成鼓泡或炸裂。所以石英金卤灯特别是小功率型（70W）其寿命很难超过5000小时（通常市售产品3000小时）与此相反半透明Al2O3陶瓷管壳则不存在上述问题，陶瓷管壳能承受的温度高达1200℃，其导热性能比石英高约一倍（1200℃时陶瓷导热率约为7×10-2，而石英玻璃在1000℃时为2×10-2），因此在同样平均壁负荷下陶瓷灯的最高壁温度低于石英泡壳，而冷点壁温则比石英灯高。多晶半透明Al2O3陶瓷不存在钠渗漏问题，抗热冲击性能和抗腐蚀性能亦较石英为佳。再则只要料源稳定、配方稳定、工艺流程稳定，则制作过程中陶瓷管的收缩率一致，陶瓷管壳尺寸和形状的偏差亦较石英管壳为小。这些特点赋予了陶瓷金卤灯以如前述的诸多优点。但是，并非将高压钠灯陶瓷电弧管中的填充物钠换成金属卤化物就制成了金卤灯（最早的陶瓷金卤灯就是按这样的思维制作的，其早期结构示如图1，当然这样的设计是不可能成功的。首先高压钠灯中的主要填充物钠呈碱性，其氧化铝陶瓷管正好与之匹配。如将灯中的填充物钠改为呈酸性的金属卤化物则无论陶瓷灯壳或低熔点陶瓷——玻璃焊料均将很快腐蚀，使灯漏气。图1再则高压钠灯管壁负荷较小，壁温度较低。而金卤灯则是高壁负荷、高管壁温度的灯种，否则难以保证金属卤化物的充分蒸发。所以石英金卤灯的管壁温度设计在1000℃左右，陶瓷金卤灯则高达1200℃。若按高压钠灯结构设计金卤灯，则封接处的焊料在高温及酸性气体作用下将很快腐蚀漏气，这样的灯将毫无实用价值。因此陶瓷金卤灯的管壳材料，焊料及管壳结构等都必须与高压钠灯有革命性改变。陶瓷金卤灯最早的有价值的文献和专利约自1979~1980年开始，其时内容多为外形结构、并可明显看出从高压钠灯脱胎后的逐步演进。90年代中期，陶瓷金卤灯虽已面世，但很多关键技术尚未很好解决，性能和寿命亦远不如今天的产品，但那时人们已经注意到一些急待解决的内在关键问题，如陶瓷原料的纯度组分、调配、炼制、成形和烧制工艺。灯管的结构形状以及非常重要的电极的结构问题等均需有革命性改革。此后在所有这些重要方面的研究力度继续加大，专题文献和专利快速增加，新结构新工艺大量涌现，但一些最为关键问题直到本世纪前期才算真正解决，灯的结构形式基本定型。此后灯的性能和寿命又得到很大提高，其使用开始迅速普及。Ⅲ金卤灯陶瓷管壳陶瓷金卤灯的各项优异性能在很大程度上是由陶瓷管壳保证的，当前一只合格的陶瓷金卤灯管壳的光透过率高于98%，光直线透过率则在30%以上，其机械强度、形状、热导率和尺寸公差均有严格限定，一些主要参数示如表Ⅰ。1、材料用以制造透明陶瓷管的高纯Al2O3粉的纯度应99.99%，其中某些杂质含量应受严格限制（见表Ⅱ），平均粉径以0.5μm为佳，分散度宜小，此外还必须有一定含量的某些必须掺杂，以保证陶瓷管壳的抗腐蚀能力和阻止晶粒的过度生长。试验结果证实一个好的管壳其晶粒大小不宜超过30μm，且粒径分散度不宜过大（见图2），否则不仅影响光透射率，机械强度亦将大幅下降。表I子晶粒径(μm)密度(g/cm3)热导率(1200℃)(cal/cm.s.℃)热胀系数(%C-1)硬度屈折强度(Mpa)透光率(%)直线透光率(%)≈303.997×10-28.10-693709830表Ⅱ粉体平均粒径面积/重量杂质含量ppm(μm)m2/gGaFeCaLaSiYMgZrNa0.53.551042101215图3如所周知，光在六方晶系的多晶Al2O3陶瓷的子晶（折射率1.76）界面之间的光折射、反射较小，但当遇到折射率低得多的气泡（n=1）时将产生较强的光折射和反射，而使光透过率和直线透过率大幅下降。半透明陶瓷管壳中的气泡引起的光散射情况示如图3。因此陶瓷管壳的另一个重要指标是气泡含有率。气泡不仅将降低光透过率和直线透过率，更将严重降低管壳机械强度。陶瓷管壳中的气泡体积不能超过总体积的0.1%。如何去除泡壳中的气泡是陶瓷金卤灯管壳制造中的关键之一。图4陶瓷原材料的质量与配料情况，所用粘结剂，素烧及烧成过程温升规律等对泡壳中的晶体颗粒、分散度、气泡尺寸及数量、机械强度、透光率等均有重要影响。2、管壳结构图5我们所看到的早期专利表明陶瓷金卤灯管壳为由高压钠灯逐步演进而来，图1及图4分别代表了第一代和第二代陶瓷金卤灯的电弧管壳形状及演进趋势。由于金卤灯的壁负荷大，管壳温度高，铌管或铌帽均难承受高温下的酸性蒸汽腐蚀，即使图4结构也难承受如此工作条件。其后发展了一种金属陶瓷塞用以对灯的二端进行密封（图5），这种金属陶瓷塞为由近似等量的高纯Al2O3粉与钼粉混合均匀后烧结形成的导电陶瓷。其膨胀系数在钼与陶瓷之间，既能与中心的钼杆又能与四周的陶瓷管壳实现很好的匹配密封。但事实上由于灯的高工作温度与强烈的熔融金属卤化物及蒸汽的腐蚀，此种封接方式也难提供长期可靠的密封和长的寿命，因此此种部件并未能推广，如今已看不到了。为了降低封接处的高温，目前的电弧管壳基本结构均已演进成中段为粗的圆柱形或球形放电容器，二端具有细长的支撑电极用的陶瓷套管（图6、7、8、9），这种结构可以大幅降低铌丝与陶瓷封接处的温度，从而保证了稳定可靠的封接质量和长寿命。上一世纪90年代中后期，陶瓷金卤灯已基本成熟并初步定形时，其电弧管壳均为五段式结构（图6），即中部为较粗的放电容器，二端用陶瓷塞封口，陶瓷塞中央再各封接一细陶瓷管用以支撑电极。此种结构明显降低了二端电极引线封接处的温度，提高了铌杆与陶瓷套管密封的可靠性。但这种结构不仅制造工艺复杂，成品率低，成本高，而且陶瓷塞与管壳、电极引线与陶瓷套管封接处的高温及熔融或气化的金属卤化物的腐蚀作用仍然对焊料具有较大威胁，很难满足长寿命要求。特别是在陶瓷塞中心电极的周边，温度较高且有大量电荷积累及复合，腐蚀较为严重。1997年出现了的三段式结构（图7），即将陶瓷塞与电极引线瓷套管制成一体或将放电陶管二端管径收细（图7b），使与支撑电极的细陶套管直接封接，从而大大缩短了低熔点陶瓷——玻璃焊料封接的周边长度，封接部位被腐蚀的几率减少，灯寿命得以明显延长。但是三段式陶瓷管的加工工艺仍然复杂，成品率低、成本高且陶瓷塞与陶瓷管封接部的温度仍然很高，对焊料的腐蚀依然严重，仍然限制着陶瓷金卤灯寿命的提高。在此基础上本世纪初到2003年间又发展了种类繁多的二段式电弧管结构，其结构示如图8。早期的这种二段式结构的电弧管的封接部位通常处在电弧管的一端，塞的内端面有的设计为平面，也有设计为圆锥形凹面的（图7d）。目前五段式结构已经消失，三段式、二段式电弧管结构仍在使用，但封接方式已出现了根本改变，各段间的封接已不再使用任何焊料，而是在素烧前就将各陶瓷组件装配在一起，烧结时靠控制收缩率的差异使各陶瓷件紧密箍接，并由封接部位二侧晶粒的交叉生长而结合成整体结构。目前三段式的圆柱形电弧管的使用最为普遍，而二段式的典型代表则是Osram仍在使用的接缝处于电弧管中部的球形35W陶瓷金卤灯(图8c)。随着电弧管原材料配方的优化、处理及陈化过程的改进，成形技术和烧制技术的提高，目前小功率电弧管结构快速向球形一体化发展（图9），这种一体化的高质量陶瓷管是高光效、高的光透过率、高的光直线透过率，低光衰和长寿命的最重要的保证。陶瓷金卤灯管壳的重要专利大部分是GE公司在近25年的研发中积累开发的。Ⅳ陶瓷金卤灯的电极对于陶瓷金卤灯，电极是另一个和陶瓷管壳同样重要的关键，四分之一世纪以来陶瓷金卤灯电极经过非常多的改进，最后定形的是如图10所示的电极结构，这种电极亦为GE所设计，目前GE、Philips和Osram几乎毫无例外地采用此种结构的电极。35W灯的种结构电极系统的最前段为0.18mm的钍钨丝电极，其前端绕制直径约0.13mm的钨螺旋4圈，钨杆电极后为直径约0.4mm的钼杆引线，其上密绕直径0.13mm的钼螺旋，最后一段则是用以与陶瓷袖管密封的铌杆，铌杆与陶瓷袖管之间由陶瓷玻璃焊料密封。此种很细的钨杆电极以及细长钼芯丝导线保证了电极系统的低热导率，这是保证铌杆密封部位低温的重要措施之一，钼杆外的钼丝螺旋几乎填满了钼杆导线与陶瓷袖套管之间的空间，既可保证电极系统处于灯的轴线位置，又使得电弧管二侧陶瓷袖套中的冷空间减到最小，保证而不会使封接端温度明显升高。图10这种设计巧妙的细长电极系统及陶瓷袖管能非常好地适应当前陶瓷金卤灯的特点，既使得封接部位远离电弧，温度降低，而且整个封接范围很小，极为可靠，不易损坏、又能保证电极位置的精确，从而保证了灯的高性能和长寿命。此种貌似复杂的电极结构性能极为可靠，是一种非常成功的设计，也是GE公司重点保护的知识产权。其中不至凝结太多金属卤化物，引起过大的色温和光效的漂移。这样的钼螺旋对热传导的作用不大，因而不会使封接端温度明显升高。这种设计巧妙的细长电极系统及陶瓷袖管能非常好地适应当前陶瓷金卤灯的特点，既使得封接部位远离电弧，温度降低，而且整个封接范围很小，极为可靠，不易损坏、又能保证电极位置的精确，从而保证了灯的高性能和长寿命。此种貌似复杂的电极结构性能极为可靠，是一种非常成功的设计，也是GE公司重点保护的知识产权。Ⅴ我国陶瓷金卤灯的研发陶瓷金卤灯的优越性能和前景已日益为人们所认识，国内很多同行正在跃跃欲试，部分人已开始研发，对此我们的几点建议如下：1、灯型规格的选择：目前陶瓷金卤灯大多在400瓦以下，35W以上，再大功率则较少见。如所周知灯功率越小、体积愈小，制灯技术难度愈大。150W~400W之间的灯型相对技术难度较小可以优先考虑。2、电弧管壳形状的选择圆柱形管壳较易成形，三段式较为普遍，工艺简单，成