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时间:2020-03-19
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1、关于白炽灯丝断裂问题的浅析白炽灯在照明工程、照射技术(加热干燥等)和科学研究中都有广泛的应用,是最重要的热辐射光源。但山于它的某些不足Z处,严亜:地阻碍了其进一步发展和应用,白炽灯寿命短就是其中之荧光灯的寿命为10000小时,而白炽灯只冇1000小时,仅为荧光灯寿命的1/10,从而成为关注门炽灯发展状况的学者所垂视的焦点问题Z—。97年《物理教学》上刊登了王广清的《频繁开关白炽灯会影响灯泡寿命吗》及王新智等人的《关于白炽灯丝熔断问题的再讨论》两篇文章均对灯泡寿命问题有所论述,本人学习思索之余,就白炽灯断丝问题,从金属物理、
2、金属力学、金属化学的角度提出一些见解,供同行参考。一、灯丝的制作金属倚(W)具有熔点高、蒸发率低,在可见光区有较高的选择辐射、高温下机械强度高、电阻系数大、较易加工成型等优点,故此,现代白炽灯都采用金属鸭作为发光体。灯用钙丝是用粉末冶金方法加工制作的。先将鴨砂(WO3)经氢气还原制得金属钩粉,圧制成钩条放在氢气炉中直接通电进行烧结(烧结温度在3100°C左右)制成鸨的金属棒,然后用旋锤机锻造,通过金刚右细孔,多次拉拔成细丝,并卷曲成螺纹状钙丝。拉制出来的餌丝具有纤维结构,但其温度到1100-1300°0,会发生再结晶现象,
3、使纤维结构遭到破坏。当温度达到1500-1600°C时,贝9晶粒发生长大,使钙变脆,并引起高温下垂。山于实际应用中钙丝的工作温度一般高达2400K-2600K以上,为改进鴨丝质量,在烧结过程中常加添加剂,如NaQ,K2O,SiO2,ThO等,以改变鹄丝的再结晶组织,提高高温抗蠕变能力与鸭丝的高温抗下垂能力。根据餌丝制作工艺可知,鸭丝烧结温度低于熔点,餌原子扩散不很充分,添加剂的使用及钩粉的纯度不可能百分Ztf的纯净,就势必造成晶间夹杂,存在成分结构不均匀。乂经多次拉拔,产生过量塑变,使钙丝内部存在大量的空位和位错。虽经退火
4、处理,但位错仍以网状存在于钙丝之中。乂餌系体心立方晶格,电子层分布不对称,使原子结合力具有方向性,其位错阻力(Peteres应力)较大。乂晶体木身脆性较大金属的力学性能,对温度急变与应变速度极为敏感,故鹄丝在点燃前就是一个存在着随机缺陷敏感组织的裂纹体。二、灯丝正常发光时,断裂机理的分析1、灯丝的“升华”变细机制灯丝在高温下“升华”变细的原因主要有两个方面,一个是“水循环”破坏作用造成,另一个山钙木身的物理性质蒸气压所致。(1)灯泡经抽气后,不可能达到绝对真空,不免有残留氧气(0)和水蒸气(战0)吸附在灯丝上,在白炽的情况
5、下发生化学反应。a.水蒸气在白炽灯丝上离解为氢和氧MQTQ+2虽b.氧和钩反应,能形成易挥发的氧化物,从灯丝上蒸发岀来,而沉积在泡壁上。c.从灯丝上扩散出来的H与泡壁上的氧化餌进行还原反应珈:TJF+3WJ。这些过程的进行,其结果使钩从灯丝迁移到泡壁上,而水始终保持恒定,与钩丝不断作用形成“水循环”的破坏作用,灯丝就这样变细,乂山于"升华”的随机性,使餌丝表面变得粗糙甚金带有缺口(毛刺),进一步加强了钙丝的脆性敏感,最后变细的灯丝不能承受机械载荷或震动而断裂,或者在局部处I大I灯丝变细、电阻相对变大,温度变高,易达到熔点而
6、烧断。(2)餌丝在高温工作时,熬发速度大大上升,表1给出了餌在各种温度下的蒸发率和直径为0.1mm的直线钩丝在真空中工作时的寿命。温度T(K)蒸发率V(g/cm2•s)直径为0・1mm铸丝的寿命H(h)200015.5X10'151.00X107220022.4X10-237.20X104240013.8X10-111.11X103260041.7X10-103.86X10280083.3X10-91.9300010.5X10-70.15山表中数据可看出当灯丝工作温度从2400K提高到3000K时,蒸发率增加了约7600倍
7、,寿命从1000小时下降不到一小时,山此可见,在高温下鸭的熬发对灯丝寿命的影响非常重要。山于白炽灯丝的不均勻性,当灯丝通电工作时,在钩丝直径较细和螺距较密处的温度较高,钩的蒸发就比其他部分剧烈,这样一来该处的钩丝变得更细,则温度变得更高,产生恶性循环,最终导致该处灯丝烧毁。2.晶体点缺陷对鸭丝断裂现象的影响。除餌“升华”使钙丝变细机械断裂或热点熔断外,另一影响钩丝寿命的主要因素是点缺陷,其中主要是空位的影响。用电子扫描显微技术观察灯丝,在晶粒表面有黑色的圆形点子,这些点子是空穴而不是实心,而且空穴成线性排列与鸭丝轴线大致平
8、行,另外在晶粒内部和晶粒边界处都会观察到空穴,但这种空穴数量往往沿晶粒边界,特别是边界核处要多一些。另外,空位平衡浓度C与温度T的关系呈指数规律变化G=Aexp(—u/kT)(u为空位形成能)山上式可知,灯泡正常发光时(T约为2400K12600K)的空位浓度将增到常温时空位浓度的数十亿倍。(1)山于高
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