高强度放电灯用陶瓷管

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1、高强度放电灯用陶瓷管　　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

2、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(PolycrystallineAlumina)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(transLUCentALuminiumOXide)。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，

3、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

4、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0.3μm)，而且粒径分布很集中。　　PCA的原料，即α-Al2O3是由灼烧含结晶水的硫酸铝氨(AlNH4(SO4)2.24H2O)而得：　　AlNH4(SO4)2.24H2O→Al2O3+NH3+SOx　　在1000摄氏度时，首先形成大块的Al2O3(比表面125m2/g，密度0.15g/cm3，粒径0.02μm)，然后在1200～1400摄氏度下转变成α-Al2O3。接下来，再将集团的粉分散，得到

5、密度0.4g/cm3，平均粒径0.6μm，比表面6m2/g的α-Al2O3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(IsostaticPressing)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

6、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，

7、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2～3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2PCA材料的物理特性　　要获得高质量的P

8、CA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。