淺析陶瓷金鹵燈的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)

1、摘 要 簡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) 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，即使常規(guī)產(chǎn)品也不難達(dá) 12000 小時；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大面積推廣，按用 戶需要色溫多在 4000K以下，通常不會超過 5000K，如在亞洲得到普及，亞洲人種可能更 喜愛較高色溫，那時色溫范圍

2、可能擴展為3000K6000K。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)簦?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、高光效和長壽命， 雖成本較高但亦已較廣泛用于室內(nèi)外，舉如機場、車站、商場、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。由于技術(shù)難度很大，加以知識產(chǎn)權(quán)問題，目前 仍然只是 GE、 Phili

3、ps 和 Osram 三大公司生產(chǎn)。我國多處都在研發(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產(chǎn)權(quán)問題， 目前我國 政府正在大力整頓和保護知識產(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。 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并試圖以 半透明陶瓷管代替，從而改進金鹵燈性能，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

4、點是：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（NaI 1300、TlI 824、InI 711、DyI 31300、 ScI 31300 ） 。 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 （如水平點燃或垂直點燃等） 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（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（通常市售產(chǎn)品 99.99%，其中某

5、些雜質(zhì)含量應(yīng)受嚴(yán)格限制 (見 表)，平均粉徑以 0.5 m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。 試驗結(jié)果證實一個好的管殼其晶粒大 小不宜超過 30 m，且粒徑分散度不宜過大(見圖2)，否則不僅影響光透射率，機械強度亦將大幅下降。表I子晶粒徑( m)密度(g/cm 3)熱導(dǎo)率 (1200)(cal/cm. s. )熱脹系數(shù)(%C-1)硬度屈折強度(Mpa)透光率(%)直線透光 率(%)303.99-2710-28.10 -693709830表粉體平均粒徑( m)面積 / 重量m2/g雜質(zhì)含量 ppmGaFeCaLaSiYMgZr

6、Na0.53.551042101215圖3如所周知，光在六方晶系的多晶 Al 2O3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）時將產(chǎn)生較強的光折射和反射，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 管殼機械強度。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)律等對泡殼中的晶 體顆

7、粒、分散度、氣泡尺寸及數(shù)量、機械強度、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趨勢。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燈的二端進行密封（圖5），這種金屬陶瓷塞為由近似等量的高純 Al 2O3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)在鉬與陶但事實上由于燈的瓷之間， 既能與中心的鉬桿又能與四周的陶瓷管殼實現(xiàn)很好的匹配密封。高工作溫度與強烈的熔融

8、金屬鹵化物及蒸汽的腐蝕， 此種封接方式也難提供長期可靠的密封和長的壽命，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)均已演進成中段為粗的圓柱形或球形 放電容器，二端具有細(xì)長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，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

9、 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焊料具有較 大威脅， 很難滿足長壽命要求。 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陶瓷 玻璃焊料封接的周邊長度， 封接部位被腐蝕的幾率減少， 燈 壽命得以明顯延長。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

10、與陶瓷管封接部的 溫度仍然很高， 對焊料的腐蝕依然嚴(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)計為平面， 也有 設(shè)計為圓錐形凹面的（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)晶粒的交叉生長而結(jié)合成整體結(jié)構(gòu)。 目前三段式的圓柱形

11、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，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。 陶瓷金鹵燈的電極對于陶瓷金鹵燈， 電極是另一個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，最后定形的是如圖 10 所示的

12、電極結(jié)構(gòu)，這種電極亦為 GE 所 設(shè)計，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

13、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， 保證而不會使封接端溫度明顯升高。圖 10這種設(shè)計巧妙的細(xì)長電極系統(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， 既使 得封接部位遠(yuǎn)離電弧，溫度降低，而且整個封接范圍很小，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， 也是 GE 公司重點保護的知識產(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。 這樣的鉬螺旋對熱傳導(dǎo)的作用不大， 因而不會使封接端溫度 明顯升高。這種設(shè)計巧妙的細(xì)長電極系統(tǒng)及陶瓷袖管能非常好地適應(yīng)當(dāng)前陶瓷金鹵燈的

14、特點， 既使 得封接部位遠(yuǎn)離電弧，溫度降低，而且整個封接范圍很小，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，也是 GE 公司重點保護的知識產(chǎn)權(quán)。 我國陶瓷金鹵燈的研發(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，國內(nèi)很多同行正在躍躍欲試， 部分人已開始研發(fā)，對此我們的幾點建議如下：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。150W400W之間的燈型相對技術(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

15、管殼較易成形，三段式較為普遍，工藝簡單，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， 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

16、尺寸最大(mm)最小(mm)公差(%)總長 TL200100.51球殼外徑(BOD)50213球殼內(nèi)徑(BID)490.513毛細(xì)管外徑(COD)10213毛細(xì)管內(nèi)徑50.513圖 12上表的尺寸公差(CID)毛細(xì)管長度5013(CL)過渡弧度 (CR)無限制1偏心度 (CCT)0.2表尺度符號含意參見圖 12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)點或造成大量廢品。4、半透明陶瓷電弧管材料Al 2O3粉的純度、材料配方、摻雜、所用粘結(jié)劑、潤滑劑，配制漿料及陳化過程、燒制 過程、升溫規(guī)律等均對晶粒直徑、分布范圍、透光率、機械強度、收縮率、抗腐蝕性能等有 重要影

17、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， 建議購買質(zhì)量符合要求的管殼， 自己做燈 (目前國內(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

18、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材料的選 用、配方的確定、另部件處理以及整個工藝過程均應(yīng)在比高壓鈉燈更嚴(yán)格得多的條件下進行。6、知識產(chǎn)權(quán)除了材料和技術(shù)之外知識產(chǎn)權(quán)是一個更為棘手的問題。 國內(nèi)同行申請了幾個專利， 其中 個別專利并無實用價值， 其余幾個專利則均早已為國外專利所覆蓋， 極易否定失效， 即使做

19、出了燈也無法越出廠門一步。 Philips 等三大公司對陶瓷金鹵燈的知識產(chǎn)權(quán)的態(tài)度是十分嚴(yán) 肅的，縱觀國外陶瓷燈專利，主要為GE次為飛利浦再次為 OSRAM所設(shè)計，日本一些公司及NGK有少量泡殼論文及專利。其中飛利浦在我國申請注冊的專利最多。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 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見到他們生產(chǎn)的幾個規(guī)格的球 形小功率陶瓷金鹵燈， 但只在試驗室中研究并未投產(chǎn)。 我們確知日本松下公司在美國的研究 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 時注意到他們在光源制造方面雄厚實力， 但他們均避開陶瓷金鹵燈及車用氙氣金鹵燈。 松下 公司 7 年前曾研發(fā)成功車用氙氣金鹵燈及配套電子鎮(zhèn)流器， 在接 Philips 警告后已停止了汽 車燈泡的生產(chǎn)， 現(xiàn)在只生產(chǎn)鎮(zhèn)流器配以 Philips 燈泡供日本汽車廠配套， 凡此種種均充分證 明陶瓷金鹵燈的知識產(chǎn)權(quán)問題是極為嚴(yán)酷的困