關(guān)于白熾燈絲斷裂問題的淺析

1、.關(guān)于白熾燈絲斷裂問題的淺析白熾燈在照明工程、照射技術(shù)加熱枯燥等和科學(xué)研究中都有廣泛的應(yīng)用，是最重要的熱輻射光源。但由于它的某些缺乏之處，嚴(yán)重地阻礙了其進(jìn)一步開展和應(yīng)用，白熾燈壽命短就是其中之一。熒光燈的壽命為10000小時(shí)，而白熾燈只有1000小時(shí)，僅為熒光燈壽命的110，從而成為關(guān)注白熾燈開展?fàn)顩r的學(xué)者所重視的焦點(diǎn)問題之一。97年?物理教學(xué)?上登載了王廣清的?頻繁開關(guān)白熾燈會(huì)影響燈泡壽命嗎?及王新智等人的?關(guān)于白熾燈絲熔斷問題的再討論?兩篇文章均對(duì)燈泡壽命問題有所闡述，本人學(xué)習(xí)思索之余，就白熾燈斷絲問題，從金屬物理、金屬力學(xué)。金屬化學(xué)的角度提出一些見解，供同行參考。一、燈絲的制作金屬鎢W具

2、有熔點(diǎn)高、蒸發(fā)率低，在可見光區(qū)有較高的選擇輻射、高溫下機(jī)械強(qiáng)度高、電阻系數(shù)大、較易加工成型等優(yōu)點(diǎn)，故此，現(xiàn)代白熾燈都采用金屬鎢作為發(fā)光體。燈用鎢絲是用粉末冶金方法加工制作的。先將鎢砂WO3經(jīng)氫氣復(fù)原制得金屬鎢粉，壓制成鎢條放在氫氣爐中直接通電進(jìn)展燒結(jié)燒結(jié)溫度在3100左右制成鎢的金屬棒，然后用旋錘機(jī)鍛造，通過金剛石細(xì)孔，屢次拉拔成細(xì)絲，并卷曲成螺紋狀鎢絲。拉制出來(lái)的鎢絲具有纖維構(gòu)造，但其溫度到11001300，會(huì)發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，使纖維構(gòu)造遭到破壞。當(dāng)溫度到達(dá)15001600時(shí)，那么晶粒發(fā)生長(zhǎng)大，使鎢變脆，并引起高溫下垂。由于實(shí)際應(yīng)用中鎢絲的工作溫度一般高達(dá)2400K2600K以上，為改進(jìn)鎢絲質(zhì)

3、量，在燒結(jié)過程中常加添加劑，如Na2O，K2O，SiO2，ThO等，以改變鎢絲的再結(jié)晶組織，進(jìn)步高溫抗蠕變才能與鎢絲的高溫抗下垂能。根據(jù)鎢絲制作工藝可知，鎢絲燒結(jié)溫度低于熔點(diǎn)，鎢原子擴(kuò)散不很充分，添加劑的使用及鎢粉的純度不可能百分之百的純潔，就勢(shì)必造成晶間夾雜，存在成分構(gòu)造不均勻。又經(jīng)屢次拉拔，產(chǎn)生過量塑變，使鎢絲內(nèi)部存在大量的空位和位錯(cuò)。雖經(jīng)退火處理，但位錯(cuò)仍以網(wǎng)狀存在于燈絲之中。又鎢系體心立方晶格，電子層分布不對(duì)稱，使原子結(jié)合力具有方向性，其位錯(cuò)阻力Peteres應(yīng)力較大。又晶體本身脆性較大金屬的力學(xué)性能，對(duì)溫度急變與應(yīng)變速度極為敏感，故鎢絲在點(diǎn)燃前就是一個(gè)存在著隨機(jī)缺陷敏感組織的裂紋體。

4、二、燈絲正常發(fā)光時(shí)，斷裂機(jī)理的分析1、燈絲的“升華變細(xì)機(jī)制燈絲在高溫下“升華變細(xì)的原因主要有兩個(gè)方面，一個(gè)是“水循環(huán)破壞作用造成，另一個(gè)由鎢本身的物理性質(zhì)蒸氣壓所致。1燈泡經(jīng)抽氣后，不可能到達(dá)絕對(duì)真空，不免有殘留氧氣O和水蒸氣H2O吸附在燈絲上，在白熾的情況下發(fā)生化學(xué)反響。a水蒸氣在白熾燈絲上離解為氫和氧b氧和鎢反響，能形成易揮發(fā)的氧化物，從燈絲上蒸發(fā)出來(lái)，而沉積在泡壁上。c從燈絲上擴(kuò)散出來(lái)的H與泡壁上的氧化鎢進(jìn)展復(fù)原反響這些過程的進(jìn)展，其結(jié)果使鎢從燈絲遷移；到泡壁上，而水始終保持恒定，與鎢絲不斷作用形成“水循環(huán)的破壞作用，燈絲就這樣變細(xì)，又由于“升華的隨機(jī)性，使鎢絲外表變得粗糙甚至帶有缺口毛

5、刺，進(jìn)一步加強(qiáng)了鎢絲的脆性敏感，最后變細(xì)的燈絲不能承受機(jī)械載荷或震動(dòng)而斷裂，或者在部分處因燈絲變細(xì)、電阻相對(duì)。變大，溫度變高，易到達(dá)熔點(diǎn)而燒斷。2鎢絲在高溫工作時(shí)，蒸發(fā)速度大大上升，表1給出了鎢在各種溫度下的蒸發(fā)率和直徑為01mm的直線鎢絲在真空中工作時(shí)的壽命。表1溫度TK蒸發(fā)率Vgcm2s直徑為0.1mm鎢絲的壽命Hh201915.510-151.00107220022.410-237.20104240013.810-111.11103260041.710-103.8610280083.310-91.9300010.510-70.15由表中數(shù)據(jù)可看出當(dāng)燈絲工作溫度從2400K進(jìn)步到3000K

6、時(shí)，蒸發(fā)率增加了約7600倍，壽命從1000小時(shí)下降不到一小時(shí)，由此可見，在高溫下鎢的蒸發(fā)對(duì)燈絲壽命的影響非常重要。由于白熾燈絲的不均勻性，當(dāng)燈絲通電工作時(shí)，在鎢絲直徑較細(xì)和螺距較密處的溫度較高，鎢的蒸發(fā)就比其他部分劇烈，這樣一來(lái)該處的鎢絲變得更細(xì)，那么溫度變得更高，產(chǎn)生惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致該處燈絲燒毀。2晶體點(diǎn)缺陷對(duì)鎢絲斷裂現(xiàn)象的影響。除鎢“升華使鎢絲變細(xì)機(jī)械斷裂或熱點(diǎn)熔斷外，另一影響鎢絲壽命的主要因素是點(diǎn)缺陷，其中主要是空位的影響。用電子掃描顯微技術(shù)觀察燈絲，在晶粒外表有黑色的圓形點(diǎn)子，這些點(diǎn)子是空穴而不是實(shí)心，而且空穴成線性排列與鎢絲軸線大致平行，另外在晶粒內(nèi)部和晶粒邊界處都會(huì)觀察到空穴，

7、但這種空穴數(shù)量往往沿晶粒邊界，特別是邊界核處要多一些。另外，空位平衡濃度C與溫度T的關(guān)系呈指數(shù)規(guī)律變化GAexpukTu為空位形成能由上式可知，燈泡正常發(fā)光時(shí)T約為2400Kt2600K的空位濃度將增到常溫時(shí)空位濃度的數(shù)十億倍。1由于高溫下，空位在晶界，晶棱等處劇增密集，形成多空位，空位片，空位洞，由于鎢的“升華作用，使得存在于鎢絲外表附近的空穴暴露出來(lái)，形成微裂口，該微裂口一旦產(chǎn)生并擴(kuò)展，超過它的臨界尺寸，鎢絲晶間的塑性變形才能便會(huì)急劇下降，燈絲變脆，在宏觀上表現(xiàn)為脆斷。2在研究燈絲燒毀的過程中，發(fā)現(xiàn)變細(xì)的線圈內(nèi)空穴數(shù)量要多一些，于是認(rèn)為存在的空穴及其數(shù)量的差異可能是造成鎢絲工作溫度不一致的

8、原因，空位擴(kuò)散在晶界上形成空洞，并在高溫區(qū)極大地增大了孔隙率，該處電子導(dǎo)電產(chǎn)生散射作用變大，引起電阻增大，從而使溫度進(jìn)一步升高，該處空位濃度進(jìn)一步增大，電子散射作用進(jìn)一步加強(qiáng)，如此惡性循環(huán)，使燈絲熔斷。一般說(shuō)來(lái)，空位趨向于晶間夾雜處會(huì)聚，燈絲缺陷敏感部位，因此實(shí)際上存在著燈絲脆斷和熔斷共存的機(jī)制，且這種機(jī)制使燈絲斷裂的可能性較大。三、頻繁開關(guān)自熾燈對(duì)何絲壽命的影響白熾燈的啟動(dòng)性能好，從對(duì)燈施加電壓到發(fā)出額定光通量為止，只需數(shù)百毫秒的時(shí)間，圖1表示普通照明燈40W，60W的點(diǎn)滅特性。在如此短的點(diǎn)熄滅時(shí)間內(nèi)，其瞬間過渡電流約為額定電流的710倍，通常在數(shù)百毫秒到數(shù)秒內(nèi)的燃點(diǎn)熄滅周期內(nèi)，就大致可使壽

9、命縮短28。1、頻繁開關(guān)白熾燈，使燈絲出現(xiàn)急冷急熱，溫度發(fā)生反復(fù)變化，又由于鎢絲內(nèi)部晶體呈纖維狀，表現(xiàn)出各向異性，導(dǎo)致熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力超過材料高溫下的彈性極限時(shí)，將發(fā)生部分塑性變形，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后，即可能引起熱疲勞裂紋，有些裂紋結(jié)合起來(lái)形成主裂紋。這些區(qū)域就成了應(yīng)力敏感處。另一方面，燈絲的急冷急熱，產(chǎn)生熱沖擊現(xiàn)象。這種熱沖擊產(chǎn)生的熱應(yīng)力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于燈絲正常發(fā)光時(shí)的恒定的熱應(yīng)力，而且這種應(yīng)力以沖擊式的高速加在燈絲上，容易在已存在的應(yīng)力敏感區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力集中，使裂紋縱深擴(kuò)展而導(dǎo)致燈絲點(diǎn)熄連續(xù)裂。總而言之，頻繁開關(guān)白熾燈，電流的沖擊作用表現(xiàn)為對(duì)燈絲的熱沖擊與熱疲勞，使鎢絲內(nèi)部組織也發(fā)生相應(yīng)變化，使鎢

10、絲塑脆轉(zhuǎn)變行為頻繁發(fā)生，在熱沖擊應(yīng)力作用下，某一脆性區(qū)斷裂的可能性大大進(jìn)步。2、頻繁開關(guān)白熾燈，鎢絲晶體缺陷對(duì)其壽命的影響。四、過飽和空位的影響鎢絲內(nèi)高溫形成的空位在急劇冷卻的過程中，來(lái)不及消失，使空位在低溫下“凍結(jié)，被“凍結(jié)的空位，濃度大大超于正常時(shí)的空位濃度。當(dāng)再次點(diǎn)燃燈絲，在空位濃度大處，對(duì)電流的散射作用也大，該處的電阻變大。電阻率差位面。與濃度差位dC成一定比例，如下式L表示鎢絲工作時(shí)的溫度，瓦表示室溫。公式說(shuō)明，燈絲某處電阻的增大，與該處空位濃度有親密的關(guān)系，該處空位濃度大，電阻率就大，該處溫度就高。頻繁開關(guān)，該處“凍結(jié)的空位就越多。如此惡性循環(huán)，在燈絲夾雜敏感部位處，空位濃度劇增，電阻變大，溫度升高，就會(huì)造成該處燈絲熔斷。2點(diǎn)缺陷運(yùn)動(dòng)的影響頻繁開關(guān)白熾燈造成的熱振動(dòng)和能量起伏給點(diǎn)缺陷帶來(lái)了遷移的可能性，使空位向位錯(cuò)遷移的傾向加劇，引起位錯(cuò)攀移加劇，并與晶內(nèi)空洞結(jié)合成位錯(cuò)環(huán)。位錯(cuò)環(huán)在向外擴(kuò)散過程中，晶內(nèi)空洞塌陷，空位轉(zhuǎn)移到晶界或燈絲外表，使該處燈絲有效導(dǎo)電截面減少，電阻更大，溫度升高，從