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  • 技術(shù)文章

    陶瓷金鹵燈

    2012-01-02 12:26:58  來(lái)源：

     

    陶瓷金鹵燈是一種比較先進(jìn)光源，壽命長(cháng)，光效高、顯色性好。和LVD無(wú)極燈性能相似，只是發(fā)光源理不同。

     概述
    　　
     
    　　陶瓷金鹵燈受到照明業(yè)界的十分重視并非偶然，經(jīng)過(guò)十余年的實(shí)踐考驗，其高超性能如高光效、高顯色和長(cháng)壽命已為人們所認同。雖然市售陶瓷金鹵燈中即使**也出現不少瑕疵，但這并不能掩蓋其優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，陶瓷金鹵燈的應用正在各個(gè)領(lǐng)域開(kāi)拓和普及，相應的各種與專(zhuān)用功能相適應的燈型結構正在不斷開(kāi)發(fā)，無(wú)論生產(chǎn)或是應用近期內在我國必有大的突破。
     
    　　陶瓷金鹵燈的開(kāi)發(fā)和應用在我國起步較晚，一則是由于這是一種高技術(shù)被壟斷的產(chǎn)品、產(chǎn)量不多、售價(jià)奇貴，人們常常不敢問(wèn)津。由于這種燈生產(chǎn)技術(shù)要求很高、裝備復雜昂貴、投資巨大也使很多投資者望而卻步，這些因素延緩了陶瓷金鹵燈在我國的發(fā)展。
     
    　　近年來(lái)，陶瓷金鹵燈在歐美已逐步普及，我國的應用也開(kāi)始擴大，很多照明界的科技人員和企業(yè)家已把注意力集中到這一產(chǎn)品上。然而由于這確實(shí)是一種技術(shù)難度很大的產(chǎn)品，與我國當前的技術(shù)與裝備水平有較大差距，對原輔材料和工藝的了解不多，一些開(kāi)拓者也常常只是套用高壓鈉燈裝備、材料和技術(shù)來(lái)制造陶瓷金鹵燈，因而其產(chǎn)品的性能參數和壽命很難達到應有水平。
     
    　　事實(shí)上不只我國企業(yè)，甚至某些**的大型跨國公司的產(chǎn)品也仍存在不少問(wèn)題、甚至嚴重質(zhì)量問(wèn)題，由此可以說(shuō)明其質(zhì)量與技術(shù)確實(shí)不易掌控。
     

    陶瓷金鹵燈

    　　陶瓷金鹵燈是多晶氧化鋁陶瓷制造電弧管管殼，這種陶瓷是一種半透明材料，其實(shí)他的透光率高達96～98%，超過(guò)玻璃和石英，但由于直線(xiàn)透光率不超過(guò)30%，所以就成了半透明了。這種陶瓷材料能承受比石英高200℃以上的高溫，制成電弧管后正常運轉溫度可以高達1200℃，加以其導熱率較高，電弧管本身溫度分布較為均勻，即使冷端也在900℃以上，因此充入其中的金屬鹵化物能充分蒸發(fā)，這是陶瓷金鹵燈的光效和顯色指數高而穩定的原因。陶瓷泡殼的熱穩定性和化學(xué)穩定性很高，與充入電弧管的材料不發(fā)生化學(xué)反應，又不存在鈉滲漏問(wèn)題，因此燈性能穩定、光衰小、壽命長(cháng).
     
    　　經(jīng)過(guò)20年的研發(fā)和改進(jìn)，目前燈的基本結構已經(jīng)定型，雖然專(zhuān)利繁多結構也略有差異，但基本是中央為一個(gè)較大的電弧管管體和二端對稱(chēng)設置一對支托電極的袖管（圖1）。其管體存在二種基本結構，即圓柱形（a）和球形（橢球或類(lèi)似球形）泡殼（b），前者為飛利浦和GE的專(zhuān)利，他采用的是五件或三件裝配結構，后者為整體球形結構，歐司朗使用的則是中間有接縫的二件組裝球形結構(c)，此外還有多種圓柱狀的二件及三件組裝結構的電弧管（d）。
     
    　　多件組裝電弧管殼是利用燒結時(shí)外套件收縮率大而使各組件緊箍在一起，并在交界面晶粒相互交錯生長(cháng)而結成一體的。但如材料、工藝及燒結溫度等略有偏移則結合部可能產(chǎn)生氣線(xiàn)、氣泡，制成燈后難以承受運轉時(shí)反復的熱沖擊而導致放氣漏氣或炸裂。整體結構泡殼雖然成型較為復雜，但具有較好的質(zhì)量保證。
     
    　　陶瓷金鹵燈的另一結構上的特點(diǎn)是電極，GE、飛利浦的電極結構示如圖2。
     
    　　其結構是在鈮桿前端為一繞有鉬螺旋的較細鉬桿，鉬桿前端則為一段更細的釷鎢絲桿，其前端繞有數圈鎢絲。此種結構的電極直徑較粗能填滿(mǎn)電弧管的袖管，但又有相當柔性，不致因溫度變化而給陶瓷袖管過(guò)大應力使之撐裂；這種電極有足夠好的電導率，而熱阻較大，從電極尖端或電極引線(xiàn)傳向陶瓷袖管的熱量較少，不致引起過(guò)高升溫而影響封接可靠性。
     
    　　上述電極結構雖然十分巧妙可靠但制造復雜，而且在電極與陶瓷袖管之間存在較大空隙，運轉時(shí)大量金屬鹵化物滲入并沉積其中，影響燈參數如燈壓降、光通量、色溫和顯色指數的穩定性。

    幾種有關(guān)光源的主要參數

    　　幾種有關(guān)光源的主要參數示如表1，從陶瓷金鹵燈的主要參數可以看出陶瓷金鹵燈是一種性能優(yōu)越的燈種，由于它的高顯色性和較低的色溫使之成為唯一的可以替代白熾燈和鹵素燈的燈種。歐美家庭現在仍然大量采用無(wú)紫外、低色溫、高顯色的白熾燈，而該地區國家已公布2012年將全面禁止使用白熾燈，所以在這一方面小功率陶瓷金鹵燈將會(huì )有極為廣闊的市場(chǎng)。
     
    　　表1-幾種有關(guān)光源的參數
     
    　　
    燈參數
    燈種    		 光效(lm/W) 顯色指數(Ra) 功率(W) 色溫(K) 壽命(hr) 透雨霧能力 參數漂移 照明領(lǐng)域
    lvd無(wú)極燈 80 >80 15~400 2700~6500 100000 強 小 室內外
    CMH 90~120 85~95 15~400 >2800 12000 強 較小 室內外
    QMH 60~90 60~90 50~2000 4000~6000 6000~8000 弱 較大 室內外
    HPS 80~120 <30 50~2000 <3000 12000 強 小 室外
    LED 80-120 <70 <10 3000-7000 50000 弱 小 室內外
    由于陶瓷金鹵燈的壁負荷、運轉溫度均高于石英金鹵燈，運轉時(shí)紫外輻射較強，因此必須采用能吸收紫外線(xiàn)的石英或玻璃材料作外罩殼。外罩殼的另一個(gè)非常重要的作用是保溫，由于陶瓷電弧管材料的熱導率很高，電弧管溫度分布均勻，壁溫度很高且壁內外溫度差較小。如將電弧管裸露在大氣中運轉則上升氣流將帶走大量熱量，使電弧管溫度下降200℃左右，使電弧管的正常運轉條件破壞，燈參數大幅下降，其優(yōu)越性能完全喪失，圖5給出了實(shí)際測量的裸電弧管及整燈的表面溫度分布。
     
    　　表2- 39W 陶瓷金鹵燈電弧管光電參數測試結果
     
    　　
    點(diǎn)燈狀態(tài) 冷端溫度（℃） 電弧管壓降（V） 燈功率（W） 光通量（lm） 光效（lm/w） 色溫（Tc） 顯色指數（Ra）
    豎直 793 54.3 38 2731 71.9 4996 47.9
    水平 835 54.3 38 2807 73.9 4830 50.6
    表3- 39W 陶瓷金鹵燈成品燈光電參數測試結果（與表2為同一電弧管）
     

    陶瓷電弧管管殼是燈質(zhì)量的關(guān)鍵

    　　在陶瓷金鹵燈的實(shí)際工作條件下，燈中電弧溫度高達6000K，而管壁溫度達1500K，工作氣氛在20個(gè)大氣壓以上。點(diǎn)燈時(shí)含有大量金屬鹵化物分子、金屬原子以及強腐蝕性的鹵素原子的高溫氣流 不斷沖刷電弧管內壁，即使高度穩定的陶瓷殼也難以承受。圖6表明了某*公司的品牌產(chǎn)品在使用數千小時(shí)后的陶瓷殼壁內表面晶界因腐蝕而產(chǎn)生的溝槽及子晶表面蝕洞，該圖所示情況還是好的案例。國內一些陶瓷泡殼研制單位采用國產(chǎn)材料并完全按照高壓鈉燈的配方和工藝制作陶瓷金鹵燈泡殼，這是一個(gè)原則性錯誤。高壓鈉燈陶瓷管的材料配方是為抵御堿性氣體的腐蝕而設計的，用這種配方制造陶瓷金鹵燈泡殼必然難以抵御高溫、強腐蝕酸性氣流的沖刷，結果不但污染燈中氣氛造成光衰、發(fā)黑等現象，同時(shí)還削弱管殼的強度，在使用過(guò)程中燈色溫較大的改變，電弧管漏氣和炸裂自然也就可以找到 原因了，原材料純度將直接影響到陶瓷的子晶的結構和性能，其中特別是Fe、Ca、Mg、Si、Na等的含量必須予以控制，因為這些雜質(zhì)含量超標時(shí)將破壞Al2O3陶瓷的六方晶系的正常生長(cháng)，影響陶瓷的透光率和強度。超純并且雜質(zhì)含量、粒徑和粉粒形狀均符合要求且受到控制的Al2O3粉體是制成好的陶瓷泡殼必不可少的前提。目前國產(chǎn)陶瓷粉的問(wèn)題是廠(chǎng)家給出的成份與實(shí)際差異很大，他們給出的雜質(zhì)含量往往比相近牌號進(jìn)口粉還少得多，而實(shí)際恰恰相反。國產(chǎn)粉料的形態(tài)均呈絮狀而非顆粒形，圖10a，調配時(shí)分散性很差，用這樣的粉很難制成質(zhì)地均勻、透明度高的多晶氧化鋁陶瓷殼，其晶粒尺寸亦難控制。
     
    　　除了雜質(zhì)含量和粒徑符合要求的超純氧化鋁外，嚴格定量的用以控制晶粒生長(cháng)和抗酸性腐蝕的各種摻雜添加材料也是十分重要的，否則晶粒過(guò)分長(cháng)大將導致陶瓷機械強度大幅下降。正常情況下陶瓷晶粒尺寸要求均勻并以20-30μm為佳，這既能保證有足夠機械強度、透光率也好。當陶瓷晶粒生長(cháng)到數百微米即接近于陶瓷管壁厚度時(shí)其機械強度將大幅度降低，這樣的陶瓷管殼是不能用的。合適的工藝裝備是制造陶瓷泡殼的又一難點(diǎn)，各公司均有自己的工藝和方法，但不外等靜壓法、擠壓法、壓鑄法、注漿法、熱等靜壓法等。這涉及到大量技術(shù)機密問(wèn)題，沒(méi)有任何公司公開(kāi)他們的方法細節。
     
    　　陶瓷的整個(gè)燒制過(guò)程是十分重要的，這決定了陶瓷的結晶形態(tài)、晶粒大小以及其中的微氣泡含量。眾所周知，多晶氧化鋁陶瓷中的微氣孔將引起光的散射和損失，并影響光的透過(guò)率特別是直線(xiàn)透過(guò)率。燒制不良的產(chǎn)品中會(huì )出現大量微氣泡，微氣孔較多時(shí)直觀(guān)的陶瓷透明度將明顯下降，當然這時(shí)光的總透過(guò)率也將相應降低。
     
    　　陶瓷金鹵燈以其優(yōu)異性能和高技術(shù)含量而為人重視，其高昂的價(jià)格更使得人們認為此種光源只適用于高級商業(yè)照明，如豪華酒店、賓館、高檔服裝專(zhuān)賣(mài)店、珠寶首飾店、高級會(huì )議廳等。但是隨著(zhù)人們對事物認識的展寬和加深，很多觀(guān)點(diǎn)在迅速變化，陶瓷金鹵燈的應用領(lǐng)域也在不斷拓展。
     
    　　五、結論
     
    　　無(wú)庸置疑，陶瓷金鹵燈和LVD無(wú)極燈一樣，是現今性能比較優(yōu)異、性?xún)r(jià)比較高的新型光源，其優(yōu)異性能使之以比當前所有光源更佳的效果、取代該種光源而應用于幾乎所有場(chǎng)合，并在節能減排和營(yíng)造更宜人的光環(huán)境方面作出巨大貢獻。
     
    　　大力開(kāi)發(fā)推廣陶瓷金鹵燈的生產(chǎn)和應用應成為當前努力的重點(diǎn)，有關(guān)政府部門(mén)及相關(guān)企業(yè)事業(yè)單位亦宜以此為重點(diǎn)組織有關(guān)力量進(jìn)行配套推廣，這樣可以使得陶瓷金鹵燈的生產(chǎn)迅速擴大、成本下降，從而更有利于推廣普及，對我國的節能減排作出更大貢獻。

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    吳敏 先生
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