淺析陶瓷金鹵燈的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)

摘要簡(jiǎn)述了陶瓷金鹵燈的發(fā)展，介紹了其技術(shù)關(guān)鍵及當(dāng)前產(chǎn)品情況，瞻望了前景。關(guān)鍵詞陶瓷金鹵燈半透明陶瓷電極系統(tǒng)Ⅰ引言陶瓷金鹵燈是當(dāng)前各類光源中功能最為完善，性能最為優(yōu)越的燈種，其光效可達(dá)110lm/W，甚至更高，即使小功率燈亦可達(dá)85lm/W以上；其顯色性通常不低于85，并且很容易達(dá)到95以上；目前最好的燈的壽命能達(dá)到15000小時(shí)，即使常規(guī)產(chǎn)品也不難達(dá)12000小時(shí)；燈功率范圍則多在20W~400W之間。由于此種燈目前只在歐美市場(chǎng)大面積推廣，按用戶需要色溫多在4000°K以下，通常不會(huì)超過5000K，如在亞洲得到普及，亞洲人種可能更喜愛較高色溫，那時(shí)色溫范圍可能擴(kuò)展為3000K~6000K。陶瓷金鹵燈是在高壓鈉燈和石英金鹵燈的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，然而其用途已遠(yuǎn)超二者。其高顯色性使之可以大量取代白熾燈和鹵素?zé)?，特別是小功率類型如20W、35W（39W）、50W、70W等亦已廣泛用于室內(nèi)甚至家庭照明。而中功率燈種由于其高顯色性、高光效和長(zhǎng)壽命，雖成本較高但亦已較廣泛用于室內(nèi)外，舉如機(jī)場(chǎng)、車站、商場(chǎng)、旅店大堂、餐廳等，在歐洲處處可以看到陶瓷金鹵燈的使用。目前陶瓷金鹵燈的生產(chǎn)和使用主要集中在歐洲及北美洲，世界陶瓷金鹵燈產(chǎn)量正以每年30%以上的速度增加，但仍有供不應(yīng)求之勢(shì)。由于技術(shù)難度很大，加以知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題，目前仍然只是GE、Philips和Osram三大公司生產(chǎn)。我國(guó)多處都在研發(fā)但均未成功，研發(fā)此種光源所面臨的不只是很難攻克的材料和技術(shù)關(guān)鍵，還有更難處理的知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題，目前我國(guó)政府正在大力整頓和保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，這使陶瓷金鹵燈的專利問題變得更為復(fù)雜而困難。Ⅱ陶瓷金鹵燈的研發(fā)20世紀(jì)60年代中期GE首先研發(fā)出半透明陶瓷管，并成功用于高壓鈉燈生產(chǎn)，當(dāng)時(shí)雖然金鹵燈的研發(fā)尚未完成，但已有人試圖將這種半透明陶瓷用之于早期的金鹵燈研發(fā)。80年代初期，金鹵燈已經(jīng)成熟，很多研究者也已發(fā)現(xiàn)石英金鹵燈電弧管殼的諸多缺點(diǎn)并試圖以半透明陶瓷管代替，從而改進(jìn)金鹵燈性能，因此加緊了陶瓷金鹵燈的研發(fā)。石英玻殼金鹵燈的主要缺點(diǎn)是：1、鈉的滲漏造成的色溫和光效漂移。2、石英管殼的極限溫度為1000℃，冷點(diǎn)溫度約為900℃，而多數(shù)燈用金屬鹵燈物的汽化溫度在1200℃左右(NaI1300℃、TlI824℃、InI711℃、DyI3>1300℃、ScI3>1300℃……)。在正常工作狀態(tài)下管殼溫度不足以使金屬鹵化物全部蒸發(fā)，總有多種熔融態(tài)金屬鹵化物在泡殼中沉積，并隨環(huán)境及使用情況（如水平點(diǎn)燃或垂直點(diǎn)燃等）而變化，這使燈的光效和色溫不能穩(wěn)定。3、在使用條件嚴(yán)酷時(shí)（如壁負(fù)荷過高）則易失透而造成鼓泡或炸裂。所以石英金鹵燈特別是小功率型（<70W）其壽命很難超過5000小時(shí)（通常市售產(chǎn)品<3000小時(shí)）與此相反半透明Al2O3陶瓷管殼則不存在上述問題，陶瓷管殼能承受的溫度高達(dá)1200℃，其導(dǎo)熱性能比石英高約一倍（1200℃時(shí)陶瓷導(dǎo)熱率約為7×10-2，而石英玻璃在1000℃時(shí)為2×10-2），因此在同樣平均壁負(fù)荷下陶瓷燈的最高壁溫度低于石英泡殼，而冷點(diǎn)壁溫則比石英燈高。多晶半透明Al2O3陶瓷不存在鈉滲漏問題，抗熱沖擊性能和抗腐蝕性能亦較石英為佳。再則只要料源穩(wěn)定、配方穩(wěn)定、工藝流程穩(wěn)定，在制作過程中陶瓷管的收縮率一致，陶瓷管殼尺寸和形狀的偏差亦較石英管殼為小。這些特點(diǎn)賦予了陶瓷金鹵燈以如前述的諸多優(yōu)點(diǎn)。但是，并非將高壓鈉燈陶瓷電弧管中的填充物鈉換成金屬鹵化物就制成了金鹵燈（最早的陶瓷金鹵燈就是按這樣的思維制作的，其早期結(jié)構(gòu)示如圖1，當(dāng)然這樣的設(shè)計(jì)是不可能成功的。首先高壓鈉燈中的主要填充物鈉呈堿性，其氧化鋁陶瓷管正好與之匹配。如將燈中的填充物鈉改為呈酸性的金屬鹵化物則無論陶瓷燈殼或低熔點(diǎn)陶瓷——玻璃焊料均將很快腐蝕，使燈漏氣。圖1再則高壓鈉燈管壁負(fù)荷較小，壁溫度較低。而金鹵燈則是高壁負(fù)荷、高管壁溫度的燈種，否則難以保證金屬鹵化物的充分蒸發(fā)。所以石英金鹵燈的管壁溫度設(shè)計(jì)在1000℃左右，陶瓷金鹵燈則高達(dá)1200℃。若按高壓鈉燈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)金鹵燈，則封接處的焊料在高溫及酸性氣體作用下將很快腐蝕漏氣，這樣的燈將毫無實(shí)用價(jià)值。因此陶瓷金鹵燈的管殼材料，焊料及管殼結(jié)構(gòu)等都必須與高壓鈉燈有革命性改變。陶瓷金鹵燈最早的有價(jià)值的文獻(xiàn)和專利約自1979~1980年開始，其時(shí)內(nèi)容多為外形結(jié)構(gòu)、并可明顯看出從高壓鈉燈脫胎后的逐步演進(jìn)。90年代中期，陶瓷金鹵燈雖已面世，但很多關(guān)鍵技術(shù)尚未很好解決，性能和壽命亦遠(yuǎn)不如今天的產(chǎn)品，但那時(shí)人們已經(jīng)注意到一些急待解決的內(nèi)在關(guān)鍵問題，如陶瓷原料的純度組分、調(diào)配、煉制、成形和燒制工藝。燈管的結(jié)構(gòu)形狀以及非常重要的電極的結(jié)構(gòu)問題等均需有革命性改革。此后在所有這些重要方面的研究力度繼續(xù)加大，專題文獻(xiàn)和專利快速增加，新結(jié)構(gòu)新工藝大量涌現(xiàn)，但一些最為關(guān)鍵問題直到本世紀(jì)前期才算真正解決，燈的結(jié)構(gòu)形式基本定型。此后燈的性能和壽命又得到很大提高，其使用開始迅速普及。Ⅲ金鹵燈陶瓷管殼陶瓷金鹵燈的各項(xiàng)優(yōu)異性能在很大程度上是由陶瓷管殼保證的，當(dāng)前一只合格的陶瓷金鹵燈管殼的光透過率高于98%，光直線透過率則在30%以上，其機(jī)械強(qiáng)度、形狀、熱導(dǎo)率和尺寸公差均有嚴(yán)格限定，一些主要參數(shù)示如表Ⅰ。1、材料用以制造透明陶瓷管的高純Al2O3粉的純度應(yīng)>99.99%，其中某些雜質(zhì)含量應(yīng)受嚴(yán)格限制（見表Ⅱ），平均粉徑以0.5μm為佳，分散度宜小，此外還必須有一定含量的某些必須摻雜，以保證陶瓷管殼的抗腐蝕能力和阻止晶粒的過度生長(zhǎng)。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)一個(gè)好的管殼其晶粒大小不宜超過30μm，且粒徑分散度不宜過大（見圖2），否則不僅影響光透射率，機(jī)械強(qiáng)度亦將大幅下降。表I子晶粒徑(μm)密度(g/cm3)熱導(dǎo)率(1200℃)(cal/cm.s.℃)熱脹系數(shù)(%C-1)硬度屈折強(qiáng)度(Mpa)透光率(%)直線透光率(%)≈303.997×10-28.10-69370>98>30表Ⅱ粉體平均粒徑(μm)面積/重量m2/g雜質(zhì)含量ppmGaFeCaLaSiYMgZrNa0.53.5<5<10<4<2<10<1<2<15圖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）界面之間的光折射、反射較小，但當(dāng)遇到折射率低得多的氣泡（n=1）時(shí)將產(chǎn)生較強(qiáng)的光折射和反射，而使光透過率和直線透過率大幅下降。半透明陶瓷管殼中的氣泡引起的光散射情況示如圖3。因此陶瓷管殼的另一個(gè)重要指標(biāo)是氣泡含有率。氣泡不僅將降低光透過率和直線透過率，更將嚴(yán)重降低管殼機(jī)械強(qiáng)度。陶瓷管殼中的氣泡體積不能超過總體積的0.1%。如何去除泡殼中的氣泡是陶瓷金鹵燈管殼制造中的關(guān)鍵之一。圖4陶瓷原材料的質(zhì)量與配料情況，所用粘結(jié)劑，素?zé)盁蛇^程溫升規(guī)律等對(duì)泡殼中的晶體顆粒、分散度、氣泡尺寸及數(shù)量、機(jī)械強(qiáng)度、透光率等均有重要影響。2、管殼結(jié)構(gòu)圖5我們所看到的早期專利表明陶瓷金鹵燈管殼為由高壓鈉燈逐步演進(jìn)而來，圖1及圖4分別代表了第一代和第二代陶瓷金鹵燈的電弧管殼形狀及演進(jìn)趨勢(shì)。由于金鹵燈的壁負(fù)荷大，管殼溫度高，鈮管或鈮帽均難承受高溫下的酸性蒸汽腐蝕，即使圖4結(jié)構(gòu)也難承受如此工作條件。其后發(fā)展了一種金屬陶瓷塞用以對(duì)燈的二端進(jìn)行密封（圖5），這種金屬陶瓷塞為由近似等量的高純Al2O3粉與鉬粉混合均勻后燒結(jié)形成的導(dǎo)電陶瓷。其膨脹系數(shù)在鉬與陶瓷之間，既能與中心的鉬桿又能與四周的陶瓷管殼實(shí)現(xiàn)很好的匹配密封。但事實(shí)上由于燈的高工作溫度與強(qiáng)烈的熔融金屬鹵化物及蒸汽的腐蝕，此種封接方式也難提供長(zhǎng)期可靠的密封和長(zhǎng)的壽命，因此此種部件并未能推廣，如今已看不到了。為了降低封接處的高溫，目前的電弧管殼基本結(jié)構(gòu)均已演進(jìn)成中段為粗的圓柱形或球形放電容器，二端具有細(xì)長(zhǎng)的支撐電極用的陶瓷套管（圖6、7、8、9），這種結(jié)構(gòu)可以大幅降低鈮絲與陶瓷封接處的溫度，從而保證了穩(wěn)定可靠的封接質(zhì)量和長(zhǎng)壽命。上一世紀(jì)90年代中后期，陶瓷金鹵燈已基本成熟并初步定形時(shí)，其電弧管殼均為五段式結(jié)構(gòu)（圖6），即中部為較粗的放電容器，二端用陶瓷塞封口，陶瓷塞中央再各封接一細(xì)陶瓷管用以支撐電極。此種結(jié)構(gòu)明顯降低了二端電極引線封接處的溫度，提高了鈮桿與陶瓷套管密封的可靠性。但這種結(jié)構(gòu)不僅制造工藝復(fù)雜，成品率低，成本高，而且陶瓷塞與管殼、電極引線與陶瓷套管封接處的高溫及熔融或氣化的金屬鹵化物的腐蝕作用仍然對(duì)焊料具有較大威脅，很難滿足長(zhǎng)壽命要求。特別是在陶瓷塞中心電極的周邊，溫度較高且有大量電荷積累及復(fù)合，腐蝕較為嚴(yán)重。1997年出現(xiàn)了的三段式結(jié)構(gòu)（圖7），即將陶瓷塞與電極引線瓷套管制成一體或?qū)⒎烹娞展芏斯軓绞占?xì)（圖7b），使與支撐電極的細(xì)陶套管直接封接，從而大大縮短了低熔點(diǎn)陶瓷——玻璃焊料封接的周邊長(zhǎng)度，封接部位被腐蝕的幾率減少，燈壽命得以明顯延長(zhǎng)。但是三段式陶瓷管的加工工藝仍然復(fù)雜，成品率低、成本高且陶瓷塞與陶瓷管封接部的溫度仍然很高，對(duì)焊料的腐蝕依然嚴(yán)重，仍然限制著陶瓷金鹵燈壽命的提高。在此基礎(chǔ)上本世紀(jì)初到2003年間又發(fā)展了種類繁多的二段式電弧管結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示如圖8。早期的這種二段式結(jié)構(gòu)的電弧管的封接部位通常處在電弧管的一端，塞的內(nèi)端面有的設(shè)計(jì)為平面，也有設(shè)計(jì)為圓錐形凹面的（圖7d）。目前五段式結(jié)構(gòu)已經(jīng)消失，三段式、二段式電弧管結(jié)構(gòu)仍在使用，但封接方式已出現(xiàn)了根本改變，各段間的封接已不再使用任何焊料，而是在素?zé)熬蛯⒏魈沾山M件裝配在一起，燒結(jié)時(shí)靠控制收縮率的差異使各陶瓷件緊密箍接，并由封接部位二側(cè)晶粒的交叉生長(zhǎng)而結(jié)合成整體結(jié)構(gòu)。目前三段式的圓柱形電弧管的使用最為普遍，而二段式的典型代表則是Osram仍在使用的接縫處于電弧管中部的球形35W陶瓷金鹵燈(圖8c)。隨著電弧管原材料配方的優(yōu)化、處理及陳化過程的改進(jìn)，成形技術(shù)和燒制技術(shù)的提高，目前小功率電弧管結(jié)構(gòu)快速向球形一體化發(fā)展（圖9），這種一體化的高質(zhì)量陶瓷管是高光效、高的光透過率、高的光直線透過率，低光衰和長(zhǎng)壽命的最重要的保證。陶瓷金鹵燈管殼的重要專利大部分是GE公司在近25年的研發(fā)中積累開發(fā)的。Ⅳ陶瓷金鹵燈的電極對(duì)于陶瓷金鹵燈，電極是另一個(gè)和陶瓷管殼同樣重要的關(guān)鍵，四分之一世紀(jì)以來陶瓷金鹵燈電極經(jīng)過非常多的改進(jìn)，最后定形的是如圖10所示的電極結(jié)構(gòu)，這種電極亦為GE所設(shè)計(jì)，目前GE、Philips和Osram幾乎毫無例外地采用此種結(jié)構(gòu)的電極。35W燈的種結(jié)構(gòu)電極系統(tǒng)的最前段為0.18mm的釷鎢絲電極，其前端繞制直徑約0.13mm的鎢螺旋4圈，鎢桿電極后為直徑約0.4mm的鉬桿引線，其上密繞直徑0.13mm的鉬螺旋，最后一段則是用以與陶瓷袖管密封的鈮桿，鈮桿與陶瓷袖管之間由陶瓷玻璃焊料密封。此種很細(xì)的鎢桿電極以及細(xì)長(zhǎng)鉬芯絲導(dǎo)線保證了電極系統(tǒng)的低熱導(dǎo)率，這是保證鈮桿密封部位低溫的重要措施之一，鉬桿外的鉬絲螺旋幾乎填滿了鉬桿導(dǎo)線與陶瓷袖套管之間的空間，既可保證電極系統(tǒng)處于燈的軸線位置，又使得電弧管二側(cè)陶瓷袖套中的冷空間減到最小，保證而不會(huì)使封接端溫度明顯升高。圖10這種設(shè)計(jì)巧妙的細(xì)長(zhǎng)電極系統(tǒng)及陶瓷袖管能非常好地適應(yīng)當(dāng)前陶瓷金鹵燈的特點(diǎn)，既使得封接部位遠(yuǎn)離電弧，溫度降低，而且整個(gè)封接范圍很小，極為可靠，不易損壞、又能保證電極位置的精確，從而保證了燈的高性能和長(zhǎng)壽命。此種貌似復(fù)雜的電極結(jié)構(gòu)性能極為可靠，是一種非常成功的設(shè)計(jì)，也是GE公司重點(diǎn)保護(hù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。其中不至凝結(jié)太多金屬鹵化物，引起過大的色溫和光效的漂移。這樣的鉬螺旋對(duì)熱傳導(dǎo)的作用不大，因而不會(huì)使封接端溫度明顯升高。

這種設(shè)計(jì)巧妙的細(xì)長(zhǎng)電極系統(tǒng)及陶瓷袖管能非常好地適應(yīng)當(dāng)前陶瓷金鹵燈的特點(diǎn)，既使得封接部位遠(yuǎn)離電弧，溫度降低，而且整個(gè)封接范圍很小，極為可靠，不易損壞、又能保證電極位置的精確，從而保證了燈的高性能和長(zhǎng)壽命。此種貌似復(fù)雜的電極結(jié)構(gòu)性能極為可靠，是一種非常成功的設(shè)計(jì)，也是GE公司重點(diǎn)保護(hù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。Ⅴ我國(guó)陶瓷金鹵燈的研發(fā)陶瓷金鹵燈的優(yōu)越性能和前景已日益為人們所認(rèn)識(shí)，國(guó)內(nèi)很多同行正在躍躍欲試，部分人已開始研發(fā)，對(duì)此我們的幾點(diǎn)建議如下：1、燈型規(guī)格的選擇：目前陶瓷金鹵燈大多在400瓦以下，35W以上，再大功率則較少見。如所周知燈功率越小、體積愈小，制燈技術(shù)難度愈大。150W~400W之間的燈型相對(duì)技術(shù)難度較小可以優(yōu)先考慮。2、電弧管殼形狀的選擇圓柱形管殼較易成形，三段式較為普遍，工藝簡(jiǎn)單，成品率高，成本亦低，使用很廣，最為普及，但陶瓷金鹵燈種多為豎直點(diǎn)燃，圓柱形下端為冷端，熔融態(tài)金屬鹵化物及氣流的腐蝕作用較大，下端底部常形成蝕箍（圖11），而導(dǎo)致燈參數(shù)漂移，光維持率下降，壽命縮短，所以電弧管形狀還是以球形或橢球形為佳。這種結(jié)構(gòu)使得等溫分布壁負(fù)荷更為均勻，這也是燈性能和壽命得以近一步提高的重要原因。圖11：3、陶瓷電弧管尺度要求陶瓷殼尺寸要求非常嚴(yán)格，而原料配方燒制過程等對(duì)陶瓷收縮影響至大，控制不好造成的尺寸誤差也常形成大量廢品。某些規(guī)格球形電弧管管殼的允許誤差示如表Ⅲ，這些數(shù)據(jù)可以作為其他規(guī)格結(jié)構(gòu)電弧管的參考。表Ⅲ尺寸最大(mm)最小(mm)公差(%)總長(zhǎng)TL20010±0.5~1球殼外徑(BOD)502±1~3球殼內(nèi)徑(BID)490.5±1~3毛細(xì)管外徑(COD)102±1~3毛細(xì)管內(nèi)徑(CID)50.5±1~3毛細(xì)管長(zhǎng)度(CL)50——±1~3過渡弧度(CR)無限制1——偏心度(CCT)————<0.2表尺度符號(hào)含意參見圖12圖12上表的尺寸公差是必須保證的，否則將引起很大的光電參數(shù)另散，而失去了陶瓷金鹵燈參數(shù)一致的優(yōu)點(diǎn)或造成大量廢品。4、半透明陶瓷電弧管材料Al2O3粉的純度、材料配方、摻雜、所用粘結(jié)劑、潤(rùn)滑劑，配制漿料及陳化過程、燒制過程、升溫規(guī)律等均對(duì)晶粒直徑、分布范圍、透光率、機(jī)械強(qiáng)度、收縮率、抗腐蝕性能等有重要影響，極難掌握和控制。這是制造陶瓷管常常失敗，質(zhì)量和成品率不高的主要原因，最好不要嘗試自己做電弧管殼，建議購(gòu)買質(zhì)量符合要求的管殼，自己做燈（目前國(guó)內(nèi)研制的陶瓷金鹵燈管殼，以及所用材料都是不符合要求的）。5、制燈工藝通常均認(rèn)為陶瓷金鹵燈制造工藝與高壓鈉燈相近，將其設(shè)備稍加改造即可應(yīng)用，這是一種極其有害的觀念。高壓鈉燈是一種大體積，低壁負(fù)荷，面積/體積比小的燈種，小功率高壓鈉燈的壁負(fù)荷僅約10W/cm2左右，而陶瓷金鹵燈則在25W/cm2以上。高壓鈉燈的面積/體積比約為6左右，陶瓷金鹵燈則在9以上。這表明陶瓷金鹵燈電弧管管壁工作溫度（約1200℃）比高壓鈉燈（通常1000℃左右）高得多，其雜質(zhì)氣體的釋放率也比高壓鈉燈高得多。由于金鹵燈電弧管內(nèi)壁表面和與燈體積之比比高壓鈉燈約大1.5倍，在相同表面雜質(zhì)釋放率的情況下陶瓷金鹵燈空間雜質(zhì)密度將比高壓鈉燈增加約50%。加以陶瓷金鹵燈的內(nèi)部工作溫度和壁工作溫度都比高壓鈉燈高得多，雜質(zhì)釋放率必然也高。因此在制造陶瓷金鹵燈時(shí)材料的選用、配方的確定、另部件處理以及整個(gè)工藝過程均應(yīng)在比高壓鈉燈更嚴(yán)格得多的條件下進(jìn)行。6、知識(shí)產(chǎn)權(quán)

除了材料和技術(shù)之外知識(shí)產(chǎn)權(quán)是一個(gè)更為棘手的問題。國(guó)內(nèi)同行申請(qǐng)了幾個(gè)專利，其中個(gè)別專利并無實(shí)用價(jià)值，其余幾個(gè)專利則均早已為國(guó)外專利所覆蓋，極易否定失效，即使做出了燈也無法越出廠門一步。Philips等三大公司對(duì)陶瓷金鹵燈的知識(shí)產(chǎn)權(quán)的態(tài)度是十分嚴(yán)肅的，縱觀國(guó)外陶瓷燈專利，主要為GE次為飛利浦再次為OSRAM所設(shè)計(jì)，日本一些公司及NGK有少量泡殼論文及專利。其中飛利浦在我國(guó)申請(qǐng)注冊(cè)的專利最多。

目前正在大量生產(chǎn)陶瓷金鹵燈的公司有GE、Philips和OSRAM三家，德國(guó)BLV公司能夠生產(chǎn)陶瓷金鹵燈（但并未見到產(chǎn)品）。在參觀日本巖崎電氣時(shí)見到他們生產(chǎn)的幾個(gè)規(guī)格的球形小功率陶瓷金鹵燈，但只在試驗(yàn)室中研究并未投產(chǎn)。我們確知日本松下公司在美國(guó)的研究所數(shù)年前已研制成功陶瓷金鹵燈，但隨后停止并解散了該研究所。我們參觀松下和東芝公司時(shí)注意到他們?cè)诠庠粗圃旆矫?/p>