高強度放電燈用陶瓷管

-.z高強度放電燈用陶瓷管周太明(復旦大學光源與照明工程系)摘要：簡要介紹對高強度放電(HID)燈用陶瓷管的要求;高純氧化鋁粉的制備;圓柱形、非圓柱形陶瓷管的制作成形方法;以及用于HID燈的透明陶瓷管的開展慨況。關鍵詞：高強度放電燈陶瓷管成形方法高純氧化鋁粉PCA材料作為高壓鈉燈和金屬鹵化物燈等HID光源的電弧管材料，必須滿足以下要求：﹙1﹚有很高的透光率;﹙2﹚能實現(xiàn)氣密封接;﹙3﹚在高溫和高壓下，能抵御鈉和金屬鹵化物的侵蝕;﹙4﹚在高溫下電導率低;﹙5﹚在高溫下蒸發(fā)率低;﹙6﹚具有足夠的機械強度，能抵御燈開關時的熱沖擊。直到上世紀60年代中期GE公司創(chuàng)造多晶氧化鋁-PCA(PolycrystallineAlumina)陶瓷管之前，石英玻璃是最主要的電弧管材料。GE公司用PCA成功地制造出了高壓鈉燈。當時他們的商標是Lucalo*(transLUCentALuminiumO*ide)。90年代初，飛利浦公司在白光高壓鈉燈技術的根底上,又創(chuàng)造了陶瓷金屬鹵化物燈。石英管能承受的工作溫度為1300K，而陶瓷管能承受的工作溫度高達1500K，因而陶瓷金屬鹵化物燈的性能要比石英金屬鹵化物燈好很多。顯然，對這些高強度放電燈來說，PCA的質(zhì)量是非常關鍵的。為此，人們做了大量的研發(fā)工作。下面，就圓柱形陶瓷管的制造、非圓柱形陶瓷管的成形和透明陶瓷管的情況做一些簡要介紹。1圓柱形陶瓷管的制造圓柱形陶瓷管的加工包括3個步驟:﹙1﹚高純氧化鋁粉的制備;﹙2﹚圓柱形陶瓷管的成形;﹙3﹚燒結過程。1.1高純氧化鋁粉的制備用于制作電弧管的氧化鋁粉的原料純度一定要高，要到達99.99%。為什麼要這么高的純度呢?因為只要有雜質(zhì)存在，即使其含量很少，也會造成一些不希望的影響。比方，會引起粉變色;在燒結過程中，產(chǎn)生不規(guī)則的晶粒;晶界產(chǎn)生別離，從而使雜質(zhì)容易移到晶界處，使那里的雜質(zhì)濃度增加。另外，為了得到高密度的管材，粉的燒結活性要好。這就要求粉有特定的形態(tài)構造，具體說就是粒徑要很細(約0.3μm)，而且粒徑分布很集中。PCA的原料，即α-Al2O3是由灼燒含結晶水的硫酸鋁氨(AlNH4(SO4)2.24H2O)而得：AlNH4(SO4)2.24H2O→Al2O3+NH3+SO*在1000攝氏度時，首先形成大塊的Al2O3(比外表125m2/g，密度0.15g/cm3，粒徑0.02μm)，然后在1200～1400攝氏度下轉變成α-Al2O3。接下來，再將集團的粉分散，得到密度0.4g/cm3，平均粒徑0.6μm，比外表6m2/g的α-Al2O3表1列出日本NGK公司所采用的高純氧化鋁粉原料的特性。表1日本NGK公司所采用的高純氧化鋁粉原料的特性1.2圓柱形陶瓷管的成形生產(chǎn)圓柱形陶瓷管最常用的方法有等靜壓法(IsostaticPressing)和擠壓成形法(E*trusion)。將氧化鋁粉、粘結劑、氧化鎂等添加劑與蒸餾水充分混合，所得粉漿在專用的噴霧枯燥設備中霧化、枯燥成顆粒狀的干粉。然后如圖1所示，將該粉末填充于空心圓柱形的橡皮模和實心的金屬模之間，再從橡膠模的外部用高壓液體徑向施加等靜壓于模內(nèi)的粉末，使其形成致密的圓柱形的陶瓷管坯。圖1等靜壓制作陶瓷管示意圖擠壓成形法是將氧化鋁粉末、粘結劑及添加劑與一種液態(tài)物質(zhì)(或與其他附加的液態(tài)粘結劑)混合成面團狀，然后被擠壓穿過金屬模具，形成不斷伸長的空心或?qū)嵭牡奶沾晒芑蛱沾砂?。其過程如圖2所示。這些長的管、棒可以根據(jù)要求被切割成所需的長度。這種擠壓成形的方法適宜連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)。圖2擠壓成形法示意圖1.3燒結過程成形后的陶瓷管坯料最后要進展燒結。生產(chǎn)過程中通常采用二次燒結。第一次燒結(預燒)是在比擬低的溫度下進展的，其目的是除去坯料中的有機粘結劑，并使其有足夠的機械強度，以便其后坯料的機械加工、運輸和裝爐。為了使有機粘結劑在預燒時充分揮發(fā)，預燒必須在氧化氣氛中進展。預燒的溫度為1200攝氏度左右，保溫2～3小時。坯料在經(jīng)過預燒后便可進展最終的高溫燒結。大規(guī)模生產(chǎn)時，高溫燒結通常采用長約20m的隧道式氫氣爐，以電加熱。在最高溫度1850攝氏度左右保溫5小時。從升溫到冷卻的整個燒結過程約需35小時。高溫燒結后，陶瓷管的尺寸縮小20%～30%，其密度到達理論值的99.9%，成半透明狀。經(jīng)過燒結，最終獲得的PCA材料的物理特性列于表2。表2PCA材料的物理特性要獲得高質(zhì)量的PCA材料，燒結的溫度、時間、氣氛和添加劑MgO的含量都要仔細控制。圖3說明，燒結溫度越高、時間越長，則密度也越高。圖4則說明，密度增加時，材料的透光率也增加。但是，隨著燒結溫度的升高，晶粒的尺寸也要長大，結果其強度下降，如圖5所示。MgO是必不可少的摻雜劑，它能有效地減少氣泡的數(shù)量(見圖6)增加密度，減少對光的散射，其典型的含量是200～1000ppm?，F(xiàn)在，還在研究除MgO外再參加一些其他的摻雜劑，如Y2O、La2O3、ZrO2和CaO等。這些陽離子半徑較大的摻雜劑容易在晶界處別離，從而大大減少了金屬鹵化物燈內(nèi)鹵化物向晶界的擴散，使得燈的壽命延長不少。圖3燒結條件對PCA密度的影響圖4密度增加時透光率也增加圖5晶粒尺寸變大時強度下降圖6MgO含量增加時氣泡減少2非圓柱形陶瓷管的成形圓柱形陶瓷管的加工精度很高，冷端溫度能夠得到很好的控制，因而燈的特性一致性非常好。但是，圓柱形陶瓷管金屬鹵化物燈電弧管各處的溫度不均勻，在其角上(即圓柱形陶瓷管與陶瓷塞的交界處)溫度低，形成冷端(見圖7)，積存在此處的液態(tài)金屬鹵化物容易對陶瓷泡殼造成腐蝕。圖7圓柱形陶瓷金屬鹵化物燈內(nèi)的溫度分布采用球形或橢球形的構造就可以比擬好地克制上述缺點。對非圓柱形陶瓷管的成形技術很多公司都進展了大量的研究。他們采用的成形方法主要有以下幾種。2.1吹模成形法(BlowMolding)這種方法是采用擠壓出的圓柱形陶瓷管作為原料。將陶瓷管置于模具中，該模具內(nèi)外表的形狀與設計的電弧管外形一樣。在高壓氣流的壓力作用下，陶瓷管向外膨脹，直至擴大到模具的內(nèi)外表，形成預定的形狀，如圖8所示。這種方法對所用的圓柱形管的直徑有限制，不能采用直徑很細的管子作原料，否則會將管子吹破。因此，這種方法只是用來吹制電弧管的當中局部，兩邊還需要再接上直徑較細的陶瓷管來進展真空氣密封接。圖8吹模法形成的橢球形陶瓷管2.2注射成形法(InjectionMolding)先將陶瓷粉與熱塑性粘結劑混合。該粘結劑在常溫下是固體，但在高溫下(通常低于200攝氏度)即變?yōu)橐簯B(tài)。再將該混合物制成丸狀，并在室溫下冷卻，然后填入注模機中。丸狀的熱塑性混合物原料經(jīng)過加熱融合，最后被注射入一個相對較冷的金屬模具中。在該模具中混合物重新冷卻并凝固成設定的形狀。塑料桶的制作就是采用此方法。該方法的優(yōu)點是可以用來生產(chǎn)管壁很薄、形狀又很復雜的陶瓷管。但這種方法的缺點是較難準確控制陶瓷管的內(nèi)、外直徑。一個可行的方法是采用此法生產(chǎn)半個陶瓷管，然后再如圖9所示將兩個這樣的陶瓷元件結合在一起。圖9注射法制作的二體型圓形陶瓷管2.3粉漿澆鑄成形法(SlipCasting)先將陶瓷粉末和粘結劑參加到液體(通常為水)中，形成一種低粘性的懸浮液。再將該懸浮液倒入多孔的模具中，模具內(nèi)壁的形狀與目標物的外形完全一致。由于毛細作用，懸浮液中的流體局部滲入到多孔的模具中，留下的陶瓷粉與粘結劑的混合物則附著在模具的內(nèi)外表。隨著時間的增加，更多的液體進入多孔模具，而附著層的厚度也不斷增加。一定時間后，陶瓷附著層的厚度就會到達目標的要求。這時，將多余的懸浮液排出，在模具中便留下預定形狀的陶瓷坯料，如圖10所示。圖10粉漿澆鑄法制作的陶瓷管2.4凝膠注模成形法(GelCasting)凝膠注模成形法是上世紀90年代初期開展起來的，它可以用來進展精細陶瓷部件的加工。其根本工藝流程是：1、將陶瓷粉料分散于含有機單體和交聯(lián)劑的水溶液(或非水溶液)中，參加分散劑，制成低粘度、高固相體積百分數(shù)的濃懸浮液;2、通過真空球磨，排除漿料中的氣泡，降低懸浮液粘度，增加漿料的流動性，以有利于后續(xù)的注模成形;3、在依次參加引發(fā)劑和催化劑并充分混合均勻后，將懸浮液注入模具中，在一定的溫度下引發(fā)單體的原位聚合，將陶瓷粉粘結在一起，形成具有一定強度和柔韌性的坯體;4、坯體脫模后，經(jīng)室溫枯燥處理，然后進展高溫脫脂、燒結，將有機凝膠在高溫下分散揮發(fā)，坯體進一步致密化燒結后就成為可供加工的精細陶瓷部件。圖11NGK生產(chǎn)球形陶瓷管的方法日本NGK公司采用如圖11所示的方法成功制造出一體化的橢球形的陶瓷管。在金屬外模里面放了一個由低熔點聚合物材料做成的內(nèi)模，二者的相對位置由金屬銷釘來固定。同時，球形陶瓷管倆邊的毛細管的內(nèi)徑也是由該金屬銷釘所決定。將按前述方法混合成的懸浮陶瓷漿液注入內(nèi)、外模間的空隙。待交聯(lián)反響完成并固化后，翻開外模，通過加熱去掉內(nèi)模，就得到管子的坯件。再經(jīng)過燒結，生成球形陶瓷管。圖12則說明了該過程的各個步驟。圖12帶可去除內(nèi)模的凝膠注模成形法3透明陶瓷管除了PCA以外，還有其他一些半透明的陶瓷材料也可以用來做高強度放電燈的電弧管。例如，尖晶石(MgAl2O4)和氧化釔(Y2O3)都可以用作電弧管的材料。它們有更高的熔點，而且由于是立方形晶體構造，光學特性更佳。Waymouth先生曾經(jīng)采用氧化釔電弧管制作高壓鈉燈，得到了更高的光效，詳細情況可參見?光源原理與設計?。這幾種陶瓷材料的添加物和燒結溫度列于表3。表3幾種陶瓷材料的添加物和燒結條件由于PCA是半透明的，所制作的光源不能用于諸如汽車前照燈之類的投光燈中。在這些場合，光源必須具有清晰可見的高亮度電弧。為了進一步提高金屬鹵化物燈的性能，科學家們對透明陶瓷進展了大量的研究。研究發(fā)現(xiàn)，Y2O3，Y2O3-La2O3，MgAl2O4，YAG(Y3Al5O12)，AlON(Al23O27N5)和Dy2O3等都是立方形晶體，在晶界處沒有由于雙折射而造成的散射，經(jīng)拋光后可以做成透明的材料。通過一種固體晶體轉換過程(SSCC)可以將PCA轉換成單晶氧化鋁，即藍寶石;通過燒結――熱等靜壓(HIP-HotIsostaticPressing)過程，則可以形成微米級的近乎透明的多晶氧化鋁。圖13給出了上述一些材料以及石英玻璃的光譜透過率曲線。藍寶石可以用來制作高強度放電燈，而且有不少好處。首先，它更能抵抗鈉的侵蝕;其次，可以在更高的溫度下工作，用它制作的HID燈的光效能提高;再者，由于它是透明的，燈具的出光效率也更高。但是，它有各向異性的缺點，應力容易導致破裂或漏氣，封接也比擬困難。此外，藍寶石只能制成圓柱形管，不能用來制作球形HID燈。近年來在透明陶瓷研究方面最重要的成果之一是透明的釔鋁石榴石YAG。無論從光學還是力學性能來說，它都要比PCA優(yōu)秀得多。它已被成功地用來制燈。但是，它抵御金屬鹵化物腐蝕的能力還是個問題。為了減少被腐蝕的風險，今后需要研究在燈內(nèi)填充新的物質(zhì)。氮氧化鋁AlON的機械強度和熱脹性能與PCA相仿，拋光的AlON的直線透過率和藍寶石一樣好。然而，在低于1640攝氏度的溫度下AlON只能在一個很小的氮分壓*圍內(nèi)保持穩(wěn)定。尖晶石(MgAl2O4)有非常高的直線透過率，但是它很容易與鈉起反響，是否與稀土鹵化物反響也有待研究。采用燒結-HIP方法可制成亞微晶PCA材料，由于其晶粒很小，機械強度可與藍寶石相比，直線透過率到達藍寶石的70%。這么好的機械強度和直線透過率使得它可以用來制作諸如汽車前照燈之類的非圓柱形HID光源。但是，這種新的PCA材料的燒結溫度比常規(guī)的PCA材料低，與燈的工作溫度差不多;因此，當燈長期工作于高溫下時，它的微觀構造以及透過率的穩(wěn)定性還有待進一步研究。歐司朗-西凡尼亞的G.C.Wei等采用透明的多晶氧化鏑(Dy2O3)制成了如圖14所示的球形HID光源，右邊是燈燃點時的樣子。電弧管的外徑為8mm，壁厚為0.5mm，燈內(nèi)充入的碘化物的重量比為NaI:DyI3:HoI3:TmI3:TlI:CaI2=54.5:6.6:6.7:6.3:11.4:14.5。石英玻璃或PCA在燈中，采用這樣的填充物時色溫為3000K;然而，由于氧化鏑對藍光有強烈的吸收(見圖15)，使燈的光呈黃白色，色溫降為2500K。燈的顯色性很好，CRI～90。燈的光效為84lm/W。試驗燈的光譜由圖16給出。在圖17中比擬了氧化鏑燈與PCA燈溫升的情況。前者溫升快就是由于氧化鏑在紫外和藍光區(qū)域有強烈吸收的緣故。圖14氧化鏑陶瓷管制作的燈圖150.6mm厚的氧化鏑陶瓷的光譜透過率曲線圖16氧化鏑陶瓷燈的光譜功率分布圖17氧化鏑燈的溫升時間比PCA燈短在撰寫過程中，得到亞明燈泡廠***月芬、飛利浦照明HID亞洲開發(fā)中心王量等的幫助，在此表示深切的謝意。由于筆者水平所限，如有不當之處，敬請指正。參考文獻〔1〕drirJ.J.deGrootandirJ.A.J.M.vanVliet.TheHigh-PressureSodiumLamp.PhilipsTechnicalLibrary,1986〔2〕方道腴，蔡祖泉.鈉燈原理和應用.**交通大學，1990〔3〕KoichiroMaekawa.TranslucentAluminaCeramicsforArc–tubeofHPSLamp.Paperforinv