陶瓷金卤灯中存在的问题及改进方法

陶瓷金卤灯中存在的问题及改进方法陶瓷金卤灯杨正名、何文馨、张玉生、高光义广东雪莱特光电科技股份有限公司一、概述陶瓷金卤灯受到照明业界的十分重视并非偶然，经过十余年的实践考验，其高超性能如高光效、高显色和长寿命已为人们所认同。虽然市售陶瓷金卤灯中即使最著名品牌也出现不少瑕疵，但这并不能掩盖其优点。近年来，陶瓷金卤灯的应用正在各个领域开拓和普及，相应的各种与专用功能相适应的灯型结构正在不断开发，无论生产或是应用近期内在我国必有大的突破。陶瓷金卤灯的开发和应用在我国起步较晚，一则是由于这是一种高技术被垄断的产品、产量不多、售价奇贵，人们常常不敢问津。由于这种灯生产技术要求很高、装备复杂昂贵、投资巨大也使很多投资者望而却步，这些因素延缓了陶瓷金卤灯在我国的发展。近年来，陶瓷金卤灯在欧美已逐步普及，我国的应用也开始扩大，很多照明界的科技人员和企业家已把注意力集中到这一产品上。然而由于这确实是一种技术难度很大的产品，与我国当前的技术与装备水平有较大差距，对原辅材料和工艺的了解不多，一些开拓者也常常只是套用高压钠灯装备、材料和技术来制造陶瓷金卤灯，因而其产品的性能参数和寿命很难达到应有水平。事实上不只我国企业，甚至某些最著名的大型跨国公司的产品也仍存在不少问题、甚至严重质量问题，由此可以说明其质量与技术确实不易掌控。二、陶瓷金卤灯陶瓷金卤灯是多晶氧化铝陶瓷制造电弧管管壳，这种陶瓷是一种半透明材料，其实他的透光率高达96～98%，超过玻璃和石英，但由于直线透光率不超过30%，所以就成了半透明了。这种陶瓷材料能承受比石英高200℃以上的高温，制成电弧管后正常运转温度可以高达1200℃，加以其导热率较高，电弧管本身温度分布较为均匀，即使冷端也在900℃以上，因此充入其中的金属卤化物能充分蒸发，这是陶瓷金卤灯的光效和显色指数高而稳定的原因。陶瓷泡壳的热稳定性和化学稳定性很高，与充入电弧管的材料不发生化学反应，又不存在钠渗漏问题，因此灯性能稳定、光衰小、寿命长。图1-陶瓷泡壳几种基本结构形状经过20年的研发和改进，目前灯的基本结构已经定型，虽然专利繁多结构也略有差异，但基本是中央为一个较大的电弧管管体和二端对称设置一对支托电极的袖管(图1)。其管体存在二种基本结构，即圆柱形(a)和球形(椭球或类似球形)泡壳(b)，前者为飞利浦和GE的专利，他采用的是五件或三件装配结构，后者为整体球形结构，欧司朗使用的则是中间有接缝的二件组装球形结构(c)，此外还有多种圆柱状的二件及三件组装结构的电弧管(d)。多件组装电弧管壳是利用烧结时外套件收缩率大而使各组件紧箍在一起，并在交界面晶粒相互交错生长而结成一体的。但如材料、工艺及烧结温度等略有偏移则结合部可能产生气线、气泡，制成灯后难以承受运转时反复的热冲击而导致放气漏气或炸裂。整体结构泡壳虽然成型较为复杂，但具有较好的质量保证。陶瓷金卤灯的另一结构上的特点是电极，GE、飞利浦的电极结构示如图2。图2-GE及飞利浦的电极结构其结构是在铌杆前端为一绕有钼螺旋的较细钼杆，钼杆前端则为一段更细的钍钨丝杆，其前端绕有数圈钨丝。此种结构的电极直径较粗能填满电弧管的袖管，但又有相当柔性，不致因温度变化而给陶瓷袖管过大应力使之撑裂;这种电极有足够好的电导率，而热阻较大，从电极尖端或电极引线传向陶瓷袖管的热量较少，不致引起过高升温而影响封接可靠性。上述电极结构虽然十分巧妙可靠但制造复杂，而且在电极与陶瓷袖管之间存在较大空隙，运转时大量金属卤化物渗入并沉积其中，影响灯参数如灯压降、光通量、色温和显色指数的稳定性。雪莱特电极改为二段式结构(图3)，在封接处铌杆之后采用较粗的钍钨电极杆，其靠近铌杆的一端外绕有较细的钼螺旋，在钍钨丝前段则绕有数圈纯钍丝，并且在中段钼螺旋外涂有陶瓷覆盖层。这样的电极制作较为简单、电导率很高，而热导率则不大。其优点是电极能承载更大的电流，而且电极引线与陶瓷袖管之间的空隙大部份为陶瓷涂层填满，灯参数的稳定性得到进一步的提高。图3-雪莱特陶瓷金卤灯电极图4-雪莱特陶瓷金卤灯的几种基本结构为进行对比，几种有关光源的主要参数示如表1，从陶瓷金卤灯的主要参数可以看出陶瓷金卤灯是一种性能优越的灯种，由于它的高显色性和较低的色温使之成为唯一的可以替代白炽灯和卤素灯的灯种。欧美家庭现在仍然大量采用无紫外、低色温、高显色的白炽灯，而该地区国家已公布2012年将全面禁止使用白炽灯，所以在这一方面小功率陶瓷金卤灯将会有极为广阔的市场。表1-几种有关光源的参数由于陶瓷金卤灯的壁负荷、运转温度均高于石英金卤灯，运转时紫外辐射较强，因此必须采用能吸收紫外线的石英或玻璃材料作外罩壳。外罩壳的另一个非常重要的作用是保温，由于陶瓷电弧管材料的热导率很高，电弧管温度分布均匀，壁温度很高且壁内外温度差较小。如将电弧管裸露在大气中运转则上升气流将带走大量热量，使电弧管温度下降200℃左右，使电弧管的正常运转条件破坏，灯参数大幅下降，其优越性能完全丧失，图5给出了实际测量的裸电弧管及整灯的表面温度分布。表2-39W陶瓷金卤灯电弧管光电参数测试结果表3-39W陶瓷金卤灯成品灯光电参数测试结果(与表2为同一电弧管)图5-裸电弧管及成品灯的温度分布照片三、陶瓷电弧管管壳是灯质量的关键在陶瓷金卤灯的实际工作条件下，灯中电弧温度高达6000K，而管壁温度达1500K，工作气氛在20个大气压以上。点灯时含有大量金属卤化物分子、金属原子以及强腐蚀性的卤素原子的高温气流图6-某公司泡壳数千小时后的晶界表面不断冲刷电弧管内壁，即使高度稳定的陶瓷壳也难以承受。图6表明了某著名公司的品牌产品在使用数千小时后的陶瓷壳壁内表面晶界因腐蚀而产生的沟槽及子晶表面蚀洞，该图所示情况还是好的案例。国内一些陶瓷泡壳研制单位采用国产材料并完全按照高压钠灯的配方和工艺制作陶瓷金卤灯泡壳，这是一个原则性错误。高压钠灯陶瓷管的材料配方是为抵御碱性气体的腐蚀而设计的，用这种配方制造陶瓷金卤灯泡壳必然难以抵御高温、强腐蚀酸性气流的冲刷，结果不但污染灯中气氛造成光衰、发黑等现象，同时还削弱管壳的强度，在使用过程中灯色温较大的改变，电弧管漏气和炸裂自然也就可以找到。图7-某公司炸裂泡壳原因了，图7、图8。图8-炸断的灯照片原材料纯度将直接影响到陶瓷的子晶的结构和性能，其中特别是Fe、Ca、Mg、Si、Na等的含量必须予以控制，因为这些杂质含量超标时将破坏Al2O3陶瓷的六方晶系的正常生长，影响陶瓷的透光率和强度。图9给出了因Ca污染而造成的Al2O3子晶不能正常发育的照片。图9-Ca污染Al2O3子晶图Fig.4超纯并且杂质含量、粒径和粉粒形状均符合要求且受到控制的Al2O3粉体是制成好的陶瓷泡壳必不可少的前提。目前国产陶瓷粉的问题是厂家给出的成份与实际差异很大，他们给出的杂质含量往往比相近牌号进口粉还少得多，而实际恰恰相反。国产粉料的形态均呈絮状而非颗粒形，图10a，调配时分散性很差，用这样的粉很难制成质地均匀、透明度高的多晶氧化铝陶瓷壳，其晶粒尺寸亦难控制。作为对比图10b示出了国外某厂的颗粒状Al2O3粉体。a国产粉b国外粉（图10）除了杂质含量和粒径符合要求的超纯氧化铝外，严格定量的用以控制晶粒生长和抗酸性腐蚀的各种掺杂添加材料也是十分重要的，否则晶粒过分长大将导致陶瓷机械强度大幅下降。图11-大晶粒陶瓷晶体结构图图11给出了大晶粒陶瓷晶体结构图。正常情况下陶瓷晶粒尺寸要求均匀并以20-30μm为佳，这既能保证有足够机械强度、透光率也好。当陶瓷晶粒生长到数百微米即接近于陶瓷管壁厚度时其机械强度将大幅度降低，这样的陶瓷管壳是不能用的。a陶瓷中气泡引起的光折射b陶瓷中的气泡（图12）合适的工艺装备是制造陶瓷泡壳的又一难点，各公司均有自己的工艺和方法，但不外等静压法、挤压法、压铸法、注浆法、热等静压法等。这涉及到大量技术机密问题，没有任何公司公开他们的方法细节。陶瓷的整个烧制过程是十分重要的，这决定了陶瓷的结晶形态、晶粒大小以及其中的微气泡含量。如所周知，多晶氧化铝陶瓷中的微气孔将引起光的散射和损失，并影响光的透过率特别是直线透过率。烧制不良的产品中会出现大量微气泡，图12表明了这样的陶瓷的断面照片，微气孔较多时直观的陶瓷透明度将明显下降，当然这时光的总透过率也将相应降低。某些公司研发的五组件圆柱形泡壳制成灯后灯容易发黑、光衰大，端盖与圆柱交接部位很易断裂。多组件泡壳各组件之间的密封完全依赖于烧结时的各组件不同收缩率，外套件紧箍内件，二者界面二侧晶体相互生长而成一体，但如匹配不当，其间存有气泡气线则可能放气漏气而造成早期发黑，如收缩过紧则可能断裂，这种结构常常严重影响灯的质量。我们曾购买5只某著名公司“迷你”型20瓦陶瓷金卤灯，实测光效约80lm/W，显色指数85～90，采用三只灯进行寿命试验，点灯100小时，光衰18～23%，陶瓷泡壳均已显著发黑，点燃至150小时，与0小时相比光通量下降25%以上严重发黑，停止试验。分析其原因为电弧管中杂质太多，并且可能存在H2O，所以大量钨蒸到泡壳内壁引起明显光衰。对于此类超小型灯其电弧管内部容积0.1cm3，面积/容积比10cm-1，因此内壁释放的少量杂质可能在灯中形成非常高的杂质浓度，对灯寿命产生致命性影响，所以小功率、超小功率灯的制作难度很大，需要对生产环境给予十分重视，对所有原材料的成分和处理工艺必须十分严格。一些公司的光源产品参数很差，例如某大公司生产的400W陶瓷金卤灯，以名牌同功率电感镇流器点灯，灯压降仅81.2V，输入功率仅335.6W，光通量31431.2lm，显色指数85.1，其光效仅为93.7lm/W。此类大功率陶瓷金卤灯的光效应在110lm/W以上，如此差的参数显然是由于泡壳设计不佳所致。同一公司生产的250W陶瓷金卤灯以上述同一公司生产的同规格电感镇流器点灯，灯压降为99.4V，灯功率250W，其辐射光通量仅为18494.5lm，显色指数84.3，实际光效只有73.98lm/W，该灯的电参数完全正常，但光参数如此之差则是令人惊奇的。后者的问题不仅在于泡壳设计，其工艺材料也存在严重缺陷，这些缺陷完全破坏了灯的正常工作条件，以致不能正常高效发光了。但奇怪的是，这样的产品竟然在市场上广泛流通，一些其他规格的名牌产品的性能参数和寿命也是名实不符的。四、陶瓷金卤灯运用领域的拓宽陶瓷金卤灯以其优异性能和高技术含量而为人重视，其高昂的价格更使得人们认为此种光源只适用于高级商业照明，如豪华酒店、宾馆、高档服装专卖店、珠宝首饰店、高级会议厅等。但是随着人们对事物认识的展宽和加深，很多观点在迅速变化，陶瓷金卤灯的应用领域也在不断拓展。(一)道路照明图13-高压钠灯光谱图近50年来高压钠灯以其高光效、长寿命、价格低廉和应用技术成熟而占领了道路照明的几乎全部市场，但近年来发现高压钠灯对于道路照明并非十分完美。夜晚人眼视觉最灵敏的波长将从555nm蓝移到510nm，因此高压钠灯辐射光谱的实际视觉效果大幅下降。按人眼白天视见函数校正的照度计或光测系统所测试的高压钠灯光通数据实际上是远远高于夜晚人眼视觉神经的实际感受。其情况由图13所示高压钠灯的实际光谱和人眼明、暗视见函数相对位置的比较可以清楚了解。该图显示高压钠灯的辐射谱带与人眼暗视觉视见函数曲线的相互重叠的面积很小，从而证明夜晚时高压钠灯的实际的流明效率是不高的。在不很明亮而又严重缺乏红、蓝光谱的暗谈昏黄的高压钠灯光照射下，物体的色彩不能清晰分辨、这必然加深视觉模糊，可能导致因对物体、物体的位置及与观察者之间的距离分辨不清而招致事故。显然，认为道路照明光源不需要高显色光源的观点是片面的，高压钠灯用于道路照明存在明显的缺陷。陶瓷金卤灯用于道路照明是有很大优越性的。飞利浦公司与复旦大学合作对此进行了专门研究，2008年已得到肯定结论。2007年初雪莱特公司已和无锡尚德公司在小功率陶瓷金卤灯光伏道路照明方面进行了大量试验，结论也是肯定的。图14-陶瓷金卤灯光谱图采用陶瓷金卤灯作道路照明的实际效果比预期更好，主要得益于陶瓷金卤灯的高显色性和特定的光谱分布，图14给出了雪莱特公司研发的3000K陶瓷金卤