陶瓷金卤灯的发展及关键技术
16页1、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 引言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 4000K 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 3000K6000K。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
2、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。 陶瓷金卤灯的研发陶瓷金卤灯的研发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(NaI 1300、TlI 824、InI 711、DyI31300、ScI31300)。在正常工作状态下管壳温度不足以使金属卤化物全
3、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(99.99%,其中某些杂质含量应受严格限制(见表),平均粉径以 0.5m 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 30m,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(m) 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(%) 30 3.99 710-2 8.10-6 9 370 98 30表杂质含量 ppm 粉体平均粒径面积/重量(m) m2/g Ga Fe Ca La Si Y Mg Zr Na 0.5 3.5 5 10 4 2 10 1 2 1 5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
4、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 2、管壳结构、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
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