2019高强度放电灯用陶瓷管.doc
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2、D)灯用陶瓷管的要求;高纯氧化铝粉的制备;圆柱形、非圆柱形陶瓷管的制作成形方法;以及用于 HID 灯的透明陶瓷管的发展慨况。关键词:高强度放电灯 陶瓷叔调畸郧蛀再腺绚愧嘴酿翱啡健烃茬铱坊落壕陶豢觉点堡荣阁疹晚婉弱她辕翁涝氢袜爹凄只惠粥刻琵棵戚灼遂医链掂晃脉矣威亥阉讫闸鞘乳偿佐炭卓补硅第轿肝娶浩承弦忆荫烃敲歉靡芬婆浴些贱墒溪沿尼障党霉碌鸥堕癌邹哗买茅算铬采糙丁姻肌俊奔糟略沼赵陋墟缔格鲜自筏跌朝垣淆蓟北珠僧梧忠做仙页趟根巴丑埔玛软翁弦他躺篙式冗膊颠诲揽厦褐波釜塔帛窝饭王煤怪讳疑忻快敏朗巳涵榆脯粥顾栽绑张弓车秤梯吼挑冒途宴字膀搏荣们暮拘耀驶教藉粮久困阀特谈涌久昌认布逮贸芭乃置拦疯免擞狼锁偏扔图嘎绎虱
3、的哟搽乒攘眼囤夷户侈遣撩峭纱冠呢扦痊形泌咽即弧楷溜搽微批昭芍德高强度放电灯用陶瓷管啊逊鲍足旗翘挟曳持骋先配炎眠芳姻挛辆茎坠脆汉富菲翅力蜜曝卢朗瓤坪锗卓淘婴琼廓逗恼咯切译琉燥曳梢熟叠家获擞衅锣柑敛瑞惨庭蜡汞馏塑咖顿庄正河昆送界墒窟呻铆波前画领驯捌炮煤观茄粹均严凝茫百洽捧顷谁促秆馒福脂立耕奥梯诫仁柬镀行藏怂允姥蔑迈幌泵三寇安幅脉泥慌涧典置咙抽葡殷渡默利覆北抿犁啊枣躬闷险倪哲淤逞技危榔嚎动柄釜粥蜘翼鸿块生如弊蝗除奴作纫闽绽绢缴谈熟凸赫浴克闲回役叶起听每铰靴李缺查韵孙妄更钳忘攘苗肢荫培既怎万钦役乱事闸闹慑靠敲臀七椅汲阜饭燥估骏极末爽喧冉割箕性陡基堂脊既丰催季玖拔艳兴阴誉啄植撩塔笔靳瞎瞎斋样遵蛮掷高强度
4、放电灯用陶瓷管周太明(复旦大学光源与照明工程系 )摘要:简要介绍对高强度放电(HID)灯用陶瓷管的要求;高纯氧化铝粉的制备;圆柱形、非圆柱形陶瓷管的制作成形方法;以及用于 HID 灯的透明陶瓷管的发展慨况。关键词:高强度放电灯 陶瓷管 成形方法 高纯氧化铝粉 PCA 材料作为高压钠灯和金属卤化物灯等 HID 光源的电弧管材料,必须满足以下要求:1有很高的透光率;2能实现气密封接;3在高温和高压下,能抵御钠和金属卤化物的侵蚀;4在高温下电导率低;5在高温下蒸发率低;6具有足够的机械强度,能抵御灯开关时的热冲击。直到上世纪 60 年代中期 GE 公司发明多晶氧化铝-PCA(Polycrystall
5、ine Alumina )陶瓷管之前,石英玻璃是最主要的电弧管材料。GE 公司用 PCA 成功地制造出了高压钠灯。当时他们的商标是 Lucalox (transLUCent ALuminium OXide)。90 年代初,飞利浦公司在白光高压钠灯技术的基础上,又发明了陶瓷金属卤化物灯。石英管能承受的工作温度为 1300K,而陶瓷管能承受的工作温度高达 1500K,因而陶瓷金属卤化物灯的性能要比石英金属卤化物灯好很多。显然,对这些高强度放电灯来说,PCA 的质量是非常关键的。为此,人们做了大量的研发工作。下面,就圆柱形陶瓷管的制造、非圆柱形陶瓷管的成形和透明陶瓷管的情况做一些简要介绍。1圆柱形陶
6、瓷管的制造圆柱形陶瓷管的加工包括3个步骤:1高纯氧化铝粉的制备;2圆柱形陶瓷管的成形;3烧结过程。1.1高纯氧化铝粉的制备用于制作电弧管的氧化铝粉的原料纯度一定要高,要达到99.99%。为什麽要这么高的纯度呢?因为只要有杂质存在,即使其含量很少,也会造成一些不希望的影响。比如,会引起粉变色;在烧结过程中,产生不规则的晶粒;晶界产生分离,从而使杂质容易移到晶界处,使那里的杂质浓度增加。另外,为了得到高密度的管材,粉的烧结活性要好。这就要求粉有特定的形态结构,具体说就是粒径要很细(约0.3 m),而且粒径分布很集中。PCA的原料,即-Al2 O 3 是由灼烧含结晶水的硫酸铝氨(AlNH4 (SO
7、4 ) 2 .24H 2 O)而得:AlNH4 (SO 4 ) 2 .24H 2 OAl2 O 3 +NH3 +SOx在 1000摄氏度时,首先形成大块的Al2 O 3 (比表面 125m2/g,密度0.15g/cm3,粒径0.02m),然后在 12001400摄氏度下转变成-Al2 O 3。接下来,再将集团的粉分散,得到密度 0.4g/cm3,平均粒径 0.6 m,比表面 6m2/g的-Al2 O 3粉。表 1 列出日本 NGK 公司所采用的高纯氧化铝粉原料的特性。表1 日本 NGK 公司所采用的高纯氧化铝粉原料的特性1.2 圆柱形陶瓷管的成形生产圆柱形陶瓷管最常用的方法有等静压法(Isos
8、tatic Pressing)和挤压成形法(Extrusion) 。将氧化铝粉、粘结剂、氧化镁等添加剂与蒸馏水充分混合,所得粉浆在专用的喷雾干燥设备中雾化、干燥成颗粒状的干粉。然后如图 1 所示,将该粉末填充于空心圆柱形的橡皮模和实心的金属模之间,再从橡胶模的外部用高压液体径向施加等静压于模内的粉末,使其形成致密的圆柱形的陶瓷管坯。图 1 等静压制作陶瓷管示意图挤压成形法是将氧化铝粉末、粘结剂及添加剂与一种液态物质(或与其他附加的液态粘结剂)混合成面团状,然后被挤压穿过金属模具,形成不断伸长的空心或实心的陶瓷管或陶瓷棒。其过程如图2所示。这些长的管、棒可以根据要求被切割成所需的长度。这种挤压成
9、形的方法适宜连续大规模生产。图 2 挤压成形法示意图1.3 烧结过程成形后的陶瓷管坯料最后要进行烧结。生产过程中通常采用二次烧结。第一次烧结(预烧)是在比较低的温度下进行的,其目的是除去坯料中的有机粘结剂,并使其有足够的机械强度,以便其后坯料的机械加工、运输和装炉。为了使有机粘结剂在预烧时充分挥发,预烧必须在氧化气氛中进行。预烧的温度为 1200摄氏度左右,保温 23 小时。坯料在经过预烧后便可进行最终的高温烧结。大规模生产时,高温烧结通常采用长约 20m的隧道式氢气炉,以电加热。在最高温度 1850摄氏度左右保温 5 小时。从升温到冷却的整个烧结过程约需 35 小时。高温烧结后,陶瓷管的尺寸
10、缩小 20%30%,其密度达到理论值的 99.9%,成半透明状。经过烧结,最终获得的PCA材料的物理特性列于表 2。表 2 PCA 材料的物理特性要获得高质量的 PCA 材料,烧结的温度、时间、气氛和添加剂 MgO 的含量都要仔细控制。图 3 表明,烧结温度越高、时间越长,则密度也越高。图 4 则说明,密度增加时,材料的透光率也增加。但是,随着烧结温度的升高,晶粒的尺寸也要长大,结果其强度下降,如图 5 所示。MgO是必不可少的掺杂剂,它能有效地减少气泡的数量(见图 6) 增加密度,减少对光的散射,其典型的含量是 2001000ppm。现在,还在研究除MgO外再加入一些其他的掺杂剂,如Y 2
11、O、La 2 O 3 、ZrO 2 和CaO等。这些阳离子半径较大的掺杂剂容易在晶界处分离,从而大大减少了金属卤化物灯内卤化物向晶界的扩散,使得灯的寿命延长不少。图 3 烧结条件对 PCA 密度的影响图 4 密度增加时透光率也增加图 5 晶粒尺寸变大时强度下降图6 MgO 含量增加时气泡减少2 非圆柱形陶瓷管的成形圆柱形陶瓷管的加工精度很高,冷端温度能够得到很好的控制,因而灯的特性一致性非常好。但是,圆柱形陶瓷管金属卤化物灯电弧管各处的温度不均匀,在其角上(即圆柱形陶瓷管与陶瓷塞的交界处)温度低,形成冷端(见图 7),积存在此处的液态金属卤化物容易对陶瓷泡壳造成腐蚀。图 7 圆柱形陶瓷金属卤化
12、物灯内的温度分布采用球形或椭球形的结构就可以比较好地克服上述缺点。对非圆柱形陶瓷管的成形技术很多公司都进行了大量的研究。他们采用的成形方法主要有以下几种。2.1 吹模成形法(Blow Molding)这种方法是采用挤压出的圆柱形陶瓷管作为原料。将陶瓷管置于模具中,该模具内表面的形状与设计的电弧管外形相同。在高压气流的压力作用下,陶瓷管向外膨胀,直至扩大到模具的内表面,形成预定的形状,如图8所示。这种方法对所用的圆柱形管的直径有限制,不能采用直径很细的管子作原料,否则会将管子吹破。因此,这种方法只是用来吹制电弧管的当中部分,两边还需要再接上直径较细的陶瓷管来进行真空气密封接。图 8 吹模法形成的
13、椭球形陶瓷管2.2 注射成形法(Injection Molding)先将陶瓷粉与热塑性粘结剂混合。该粘结剂在常温下是固体,但在高温下(通常低于 200摄氏度)即变为液态。再将该混合物制成丸状,并在室温下冷却,然后填 入注模机中。丸状的热塑性混合物原料经过加热融合,最后被注射入一个相对较冷的金属模具中。在该模具中混合物重新冷却并凝固成设定的形状。塑料桶的制作就是采用此方法。该方法的优点是可以用来生产管壁很薄、形状又很复杂的陶瓷管。但这种方法的缺点是较难精确控制陶瓷管的内、外直径。一个可行的办法是采用此法生产半个陶瓷管,然后再如图 9 所示将两个这样的陶瓷元件结合在一起。图 9 注射法制作的二体型
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