陶瓷金卤灯电弧管内壁腐蚀综述[1]

　　陶瓷金卤灯电弧管的管壁材料为多晶氧化铝( PCA) . 在1150℃以下，PCA 一般不与填充的金属卤化物发生化学反应，因此陶瓷电弧管的工作温度比石英电弧管提高约200℃，这使陶瓷金卤灯的光效和显色性进一步提高。

　　虽然陶瓷电弧管能承受更高的温度，陶瓷金卤灯的发展仍受到种种限制。其中就包括在相对温度较高的情况下，陶瓷管内壁材料与金属卤化物发生化学反应而受腐蚀[1]，引起管壁温度改变，导致灯的光色电参数改变。特别是在材料、工艺不成熟的情况下，严重的腐蚀会导致陶瓷管壁发白，影响出光，甚至引起电弧管漏气而使灯失效。因此，研究陶瓷金卤灯中管壁的腐蚀机理及影响腐蚀程度的各种因素，对优化制灯工艺，延长灯寿命，改善灯特性有着非常重要的意义。

　　1 电弧管内的温度分布与对流

　　在工作状态下，陶瓷金卤灯的电弧温度比管壁温度高得多，因此电弧管内的温度梯度很大，会产生强烈的对流，在电弧管的中部向上流动，在管壁处向下流动。图1 所示为工作状态下陶瓷电弧管内的温度分布。轴心的温度最高，可达6000 K; 电极上电弧附着点的温度约为3000 K; 管壁的温度最低，只有1300 K。电弧管内强烈的对流决定了冷端的位置。Hilpert 等描述了一种竖直燃点的陶瓷电弧管内的温度分布[2]，如图1 ( a) 所示，电弧位于中心轴线上，最高温度位于上端电极下方附近，冷端位于下端电极附近。van Erk 等描述了一种水平燃点的电弧管内的温度分布[3]，如图1 ( b) ，管内对流使电弧上飘，使得电弧管的温度分布不对称，上端靠近电弧，温度最高( 1550 K) ; 下端远离电弧，温度最低( 1300 K) ，为冷端。

　　图2 为本文实测的70 W 陶瓷电弧管工作状态的红外热成像图。受两种燃点位置下电弧管内对流的影响，电弧管外表面的最高温度和冷端温度分别在上椭圆和下椭圆区域内。

　　灯燃点时电弧管内的对流决定了电弧管内壁的腐蚀。一方面，气相金属卤化物随对流输运，在管壁高温区与管壁材料反应，腐蚀管壁。反应的产物又随对流在电弧管内输运。另一方面，对流决定了电弧管内壁的冷端，过量的金属卤化物以熔盐的形式沉积在冷端，腐蚀冷端的管壁。

　　2 管壁的腐蚀机理

　　电弧管内通常填充过量金属卤化物药丸，它们在管内高温下部分蒸发，部分以熔盐形式存在，平衡时达到饱和蒸气压。陶瓷管内壁的腐蚀主要由两个因素造成: 一是气相金属卤化物盐与管壁材料反应造成的腐蚀; 二是金属卤化物熔盐沉积在冷端，对冷端管壁的腐蚀[3]。

　　以为例，气相金属卤化物盐对管壁的腐蚀主要发生了以下化学反应[3]:

　　反应( 1 ) 中的金属卤化物盐与管壁材料反应，生成进一步与管壁材料反应，生成AlOI。其中反应( 1) 中的产物作为输运剂，高温下反应( 2) 向右边进行，低温下反应( 2) 向左边进行。因此在气相物质中，被灯内强烈的对流输运到低温区域，而AlI3可源源不断从反应( 1) 中得到补充，从而连续将Al2O3从高温区向低温区输运。

　　除了气相物质对陶瓷管壁的腐蚀外，金属卤化物熔盐也会腐蚀管壁。但这一腐蚀的机理目前尚不清楚。van Erk 指出金属卤化物熔盐对石英管壁的腐蚀是源于熔盐使发生了相变，从玻璃相变为晶体相[3]。而熔盐对PCA 管的腐蚀机理尚无定论，只是提出与PCA 的结构变化无关。通常熔盐沉积在内管壁的冷端，熔盐对管壁的严重腐蚀可能导致管壁发白甚至泄漏。

　　3 陶瓷金卤灯中的输运过程

　　将电弧管内部视为一热力学系统，使该系统从非平衡状态向平衡状态过渡的过程称为输运过程。陶瓷金卤灯工作时，电弧管内存在复杂的输运过程，主要的过程有两个: 化学反应与热传导。上述只介绍了陶瓷电弧管管壁腐蚀的基本机理。事实上，任何关系到管壁材料输运的过程都与管壁的腐蚀有关。要研究陶瓷金卤灯管壁的腐蚀，就必须研究电弧管内的输运过程。

　　电弧管内的输运过程十分复杂，因此抓住输运过程中的主要因素，对过程作一些简化，有助于对过程进行模拟、计算，从而对实际过程做出定性、半定量分析。Fischer 等通过一个简化模型对电弧管内的输运过程进行了模拟计算[4]。他们模拟了系统，用三个反应描述管内的输运过程。其中一个反应如式( 2) 所示，另两个反应与Al2O3的蒸发有关:

　　图3 显示了灯内与反应( 2 ～ 4) 相关的输运过程。如上所述，反应( 2) 是与陶瓷管壁腐蚀有关的可逆反应。在高温区，反应( 2) 向右边进行，管壁材料以AlOI 为载体输运到低温区; 在低温区，反应( 2) 向左进行，就沉积在低温区，同时释放出AlI3，继续参与高温区的反应。这一可逆反应中，以AlOI 的形式从高温区区输运到低温区，是输运剂，本身并不减少，而维持反应的持续进行。反应( 3，4) 是的蒸发过程，通过蒸发，管壁材料以AlO 和 的形式输运到低温区，在那里又凝结成沉积。通过这一模型进行模拟计算，结果显示，温度低于1773 K时，反应( 2) 决定的输运过程起主导作用; 温度高于1773 K 时，的蒸发( 反应( 3，4) ) 决定的输运过程占主导。此外，熔盐的成份决定了相物质的成份，会影响电弧管内的输运过程，进而影响腐蚀程度。另一影响腐蚀程度的因素是高温区与低温区的温差。