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紧凑型节能荧光灯管的材料与工艺第一章荧光灯材料概述：荧光灯灯管所用的结构材料种类不多，主要有灯管用的玻璃，荧光粉、电极用的金属和充入灯管内的气体四大部分。在灯管的制造过程中，对所用材料的性质，应有足够的认识，才能正确地制订其加工工艺，使产品的质量得到保证。正规的生产秩序，凡是投入产品使用的材料，都应有供应单位的质量保证，当缺乏这一保证资料时，就由使用厂家自行对准投产的材料做必要的理化试验，经过检验确保其材料的质量后方能投产，有进，对长期稳定供应的原材料或一次性大批量进货的原材料，都要进行抽样检验，只有这样，才能确保产品的质量。对原材料质量的疏忽，必然导致产品的质量产生不稳定，有时会造成大批产品的报废，更严重的是会影响到一个企业的声誉，直到造成企业的倒闭的恶果。综上所述，对企业的管理人员和生产第一线的操作者，都对材料问题要引起十分重视，同样也就要求对所用的材料，要有基本的认识和了解，这就是我们学习这一章的目的。一、玻璃（一）概论：荧光灯灯管结构中，首先看到的就是玻璃管，而且它在灯管结构材料中占有绝大部分。玻璃在荧光灯管中的作用有三：(1)作为透光照明的主体；(2)在真空器件中起到密封作用；(3)在电性能上，它是一种绝缘材料；也就是说，荧光灯中的玻璃是具有透光、密封和绝缘这三重作用，是灯管的主体材料。1．玻璃的定义玻璃是一种无机的透明非晶体，其物理性能具有各向同性的特征，它没有明显的熔点，只是随着温度的变化，其固化程度（粘度）有所不同，它是介于液体与结晶固体之间的一种物态，也就是说，其外形呈固态，其内在结构且具液态性质，故只能总称它为玻璃体。对这一个玻璃体的定义，可以进一步说明；它是无机透明体，且不同于有机玻璃和塑料，有机玻璃和塑料都是透明体，但它们都是由高分子按一定的规律组成，是一种有机物，具有可燃性。它是无机的非晶体，就是说，玻璃内部分子结构是没有规律的，和一般液体一样，是杂乱无章的，它和一些无机的结晶体不同，如水晶、宝石、云母等都是无机的结晶体，其内部分子结构是严格的按一定规律排列着，这些结晶体，在不同的晶格方向上，往往有不同的物理性能，玻璃体则不然，由于它是非晶体，所以它具有各向同性的性质，也就是说，它的物理性能在各个方向上都是一样的。一切物质从液态到固态的转变过程统称为“凝固”，凡纯元素（金属或非金属）的结晶体都有一个严格的平衡结晶温度，高于这一温度则溶化，低于这一温度才能结晶（固化），这就是通常称之为“熔点”温度，象玻璃这种非晶物质则没有明显的结晶平衡温度，其液态到固态的凝固过程总是在某个温度范围内逐渐形成的，而且其变化过程是可逆的。玻璃是由多种元素氧化物经过高温溶炼后冷却凝固的，各种氧化物的组成和含量比例的不同，都会直接影响玻璃的性能，其物理化学性质随温度变化具有连续性和可逆性。（二）玻璃的化学组成制造玻璃的主要原材料是石矿，如石英、长石、石灰石等，其中石英石则是制造玻璃最主要的原料，它在玻璃的组成中要占一半以上，其化学成分是二氧化硅。电光源中用的玻璃，主要由以下几种化学成分组成：二氧化硅(SiO2)氧化镁(MgO)氧化铝(Al2O3)氧化硼(B2O3)氧化钾(K2O)氧化铝(PbO)氧化钠(Na2O)氧化钙(CaO)氧化钡(BaO)磷酐(B2O5)在以上成份中，SiO2，B2O3和P2O5等酸性氧化物，可单独溶制成玻璃，但在大多数玻璃中，它们是作为玻璃的主要成分，是构成玻璃结构的基本骨架，特别是SiO2在玻璃中约占组成重量的1/2～3/4。加入碱金属氧化物（如Na2O、K2O等）可以降低玻璃料的熔制温度，但是会降低玻璃的化学稳定性、热稳定性和机械强度。加入碱土金属化物（BaO、MgO、CaO、）却有助于改善和提高玻璃的化学稳定性和机械强度等性能。加入氧化铅（PbO）、氧化硼（B2O3）等是为了改善玻璃的热稳定性和加工性能。为了改变或提高玻璃的某种性能，还可以加入其它辅助原料，如加入砒霜和芒硝作为“澄清剂”，还可以加入“着色剂”或“脱色剂”。所有这些化学成分，都是经过粉碎和按照一定的重量比混和，再进入窑炉熔制，其熔融液体是不透明的，只有在冷却凝固后才显示出透明的特性。荧光灯中常用玻璃的化学组成和物理性能如表1-1所示：其中白云石玻璃适用于粗管径的直管型荧光灯管，紧凑型节能荧光灯管都采用轻红丹料或红丹料玻璃。表1-1荧光灯中常有玻璃的化学组成和物理性能白云石玻璃轻红丹玻璃红丹玻璃SiO27465.563.5B2O3—21Al2O3—11MgO3.61.5—CaO5.32—K2O1.24.5—Na2O15.411.514PbO—1229.5热膨胀系数(α*10-7)89±289±287±2软化温度(℃)700±10670±10640±10热稳定性(℃)≧130≧110≧110退火上限(℃)500±10450±10450±10退火下限(℃)360±10360±10360±10TK—100(℃)≧130≧290≧290密度(克/厘米3)2.472.862.86抗水化学稳定性级别43—43（二）玻璃的性质玻璃名称重量百分比(%)化学组成玻璃的主要性质有热性能，化学稳定性电性能，在荧光灯管的制作中，尤其要了解玻璃的热性能，根据玻璃的热性能合理制订其加工工艺，提高产品的成品率。（1）玻璃的热性能：玻璃的热性能是指随着温度的变化，玻璃在一些物理性能上的量变情况：a、热膨胀系数：它是指温度每变化1℃时，玻璃热胀冷缩的相对长度，即α=△L/L式中L为玻璃的原有长度，△L是温度改变后的增（减）量，α的绝对数很小，通常要乘以10-7。但是玻璃的热膨胀系数，在玻璃间互相溶封或玻璃与金属材料的封接中，直接影响到产品的质量，通常热膨胀系数相差要小于10%的两种材料才能封接在一起，超过该数值，其封接件的封接处将有较大的应力而捐坏。玻璃的热膨胀系数主要决定于它的成分，通常增加（CaO，BaO，Na2O，K2O）等成分，会使玻璃的热膨胀系数增大，而增加SiO2，Al2O3，B2O3，ZnO等成分，就能降低热膨胀系数。b、热导率：玻璃的热导率很小，一般在0.7～1.2w/m.c之间，因此，它是良好的绝热材料，其热导率亦与化学成分有关，硅酸盐类的玻璃热导率相对较大，随着温度的升高，热导率也增大，软化温度时的导热率为室温时的二倍。C、热稳定性：它是指玻璃经受剧烈的温度变化而不破裂的性能，也称玻璃的耐热度，它是用快速冷却法试验确定的，即将玻璃加热到某一高温后，骤然冷却到低温（0℃），若这样连续三次而无炸裂，则此高低温的差△T，就是玻璃的“耐热度”，一般该温差在120～250℃之间，热膨胀系数越大，△T值越小，反之，α越小，则△T越大。（2）玻璃的化学稳定性：玻璃的化学稳定性表现在“风化”和“析晶”两个方面。a、玻璃的风化作用：玻璃的化学稳定性还是比较好的，但是长期与水接触，会产生水解作用，主要是水分子与玻璃表面的硅酸盐起化学反应形成苛性钠和硅酸，这就是玻璃的水解：Na2SiO3+2H2O=2HaOH+H2SiO3当玻璃表面形成10-7～10-5CM厚的硅酸腊，就能抵抗水和一般酸的侵蚀，但是能和碱溶液起作用，这就是玻璃的抗碱能力比抗酸差14～19倍的原因。水解后在表面形成苛性钠（NaOH）又会同空气中的CO2作用生成碳酸盐和水。2HaOH+CO2=Na2CO3+H2O在这个反应中生成的水又会同玻璃表面的硅酸盐作用，重复了前面的化学反应，这样周而复始地不断重复，使玻璃表面逐渐出现疏松的斑点和发毛失透现象，这就是玻璃的风化过程，在日常生活中可以发现，厨房和卫生间的玻璃较为容易产生发毛失透。因为这样的环境里温度高、玻璃易风化，因此，存放玻璃的库房应是干燥的，而且存放时间不宜过长，以免玻璃变质。玻璃的化学稳定性通常都用水解等级来表示，共分五级，其中1级最好，5级最差。几乎所有的玻璃都同氢氟酸起化学作用，其反应式是SiO2+4HF=SiF4+2H2ONa2SiO3+6HF=2NaF+SiF4+3H2O利用玻璃的这一特殊性能,可以用浓度较稀的HF酸溶液来清洗玻璃,也可以用较高浓度的HF酸来刻蚀玻璃.b、玻璃化学稳定性的另一种表现是析晶现象，前面已明确玻璃是非晶体，但是它在特定的条件下也会产生结晶的玻璃体，称为析晶，析晶后的玻璃亦失去透明的性质，玻璃长时间处于较高的温度（700～800℃）下加工，其原子扩散容易、能释放出过剩的内能，使之转化为晶体，同时，高温下的碱金属的蒸发也使玻璃失去透明。玻璃一旦出现风化、析晶和失透，都表明玻璃的组成已有所变化，相应之下，其各项物理性能亦会引起变化，对产品的加工难度增加，成品率将会下将。（3）玻璃的机械性能玻璃的机械性能持点是硬度高，脆性大，其抗压强度比抗拉强度高14～19倍，因此在设计玻璃器件受力情况时尽可能受压力而不要受拉力。（4）玻璃的电性能表示玻璃电性能的是电阻率、电解现象和介质捐耗三个参量。玻璃在常温下是一种很好的绝缘体，具有较高的电阻率，达10Ω.CM，随着温度的升高，玻璃的粘度减小，离子在玻璃内部的移动阻力减少，电阻率就下降，温度升到1200℃时，玻璃的电阻率将下降到1Ω.CM。通常用TK-100来表示玻璃电阻率与温度的关系就是将玻璃加热到电阻率为100MΩ.CM时的温度，TK-100值越大，就是表示玻璃在高温下的电绝缘性能愈好，玻璃成份中Na2O与K2O的含量增加.TK-100值将下降,玻璃表面的洁净程度,也会影响TK-100值.电解现象指的是玻璃在电场作用下,其中的硅酸钠组分会产生电解现象,碱金属离子的定向步动结果,将造成玻璃的炸裂,玻璃与金属封接部位的慢性漏气,严重时会产生电极引线间的电击穿现象,含碱金属氧化物越少,玻璃的电解现象越不易形成,一般玻璃的击穿电压为16～40KV/CM。介质损耗指的是在高频交变场作用下，玻璃作为介质将产生极化作用而损耗部分能量，这种能量的损耗，随着温度和频率的提高而增大，介质损耗的符号用tgδ表示。（5）玻璃中热应力的形成与消除a、玻璃的粘度与温度关系在玻璃制品的生产过程中，玻璃的粘度有着十分重要的意义，玻璃制品的成形、退火、热加工等生产过程的控制，都取决于玻璃的粘度。玻璃的粘度和温度密切相关，随着温度的升高，玻璃的粘度明显下降，这种变化的典型曲线如图1-1所示：T1——转换温度T4——T6玻璃的加工范围T2——退火温度T6——最佳加工温度T3——软化温度T7——熔化温度以上是玻璃在加工过程中经常涉及到的几个特征温度，每个特征温度都有一定的含义：T1——转换温度是指玻璃成塑性体与弹性体之间的分界温度。它相当于玻璃的粘度为1012Pa.S时的温度,这个温度在300-400℃之间，视不同玻璃，在同样的粘度下有不同的温度。在这个温度下，玻璃内部的应力约需4小时才能消除。T2——退火温度：它相当于玻璃粘度为1011Pa.S时的温度。在该温度时，玻璃处于塑性状态，玻璃中内应力只需4分钟就可以消除。一般玻璃的退火温度大约在400-500℃之间。T3——软化温度：玻璃由塑性状态变为具有流动性能的温度，称为软化温度。它相当于玻璃的粘度为108Pa.S时的温度，软化温度因玻璃品种而有所不同，通常在500-600℃之间。ηPa.sT℃图1-1玻璃的粘度与温度的关系1011108105103102101012图1-2玻璃层T4-T6——加工范围温度：这一温度区间的玻璃粘度为105-102Pa.S。该粘度范围最便于玻璃的成形加工，T4-T6的温度范围越大，说明玻璃粘度变化越缓慢、加工越容易，这种玻璃称为“长性”玻璃，反之，T4-T6间的范围越小，则玻璃粘度变化快，加工较困难，称为“短性”玻璃，通常人工吹制的希望用长性玻璃，而机器吹制的希望用短性玻璃，在玻璃的化学成份中，CaO,MgO能使玻璃趋向短性,Na2O,K2O和PbO则使玻璃趋向长性.T5——最佳加工温度,这时的玻璃粘度为103Pa.S,这个温度的玻璃稍微有一点流动性,最便于吹制加工.T7——熔化温度：即粘度约为10Pa.S时的温度，高于该温度可认为玻璃已熔为液体，具有良好的流动性。玻璃的粘度除了同温度有关外，还同玻璃的化学组成有很大的关系