陶瓷金卤灯的发展及关键技术[1]

杨正名  柴国生  张明  高光义

广东雪莱特光电科技股份有限公司
 

　　摘  要  简述了陶瓷金卤灯的发展，介绍了其技术关键及当前产品情况，瞻望了前景。

　　关键词  陶瓷金卤灯  半透明陶瓷   电极系统

 

　　Ⅰ 引言

　　陶瓷金卤灯是当前各类光源中功能最为完善，性能最为优越的灯种，其光效可达110lm/W，甚至更高，即使小功率灯亦可达85lm/W以上；其显色性通常不低于85，并且很容易达到95以上；目前最好的灯的寿命能达到15000小时，即使常规产品也不难达12000小时；灯功率范围则多在20W ~400W之间。由于此种灯目前只在欧美市场大面积推广，按用户需要色温多在4000°K以下，通常不会超过5000K，如在亚洲得到普及，亚洲人种可能更喜爱较高色温，那时色温范围可能扩展为3000K~6000K。

　　陶瓷金卤灯是在高压钠灯和石英金卤灯的基础上发展起来的，然而其用途已远超二者。其高显色性使之可以大量取代白炽灯和卤素灯，特别是小功率类型如20W、35W（39W）、50W、70W等亦已广泛用于室内甚至家庭照明。而中功率灯种由于其高显色性、高光效和长寿命，虽成本较高但亦已较广泛用于室内外，举如机场、车站、商场、旅店大堂、餐厅等，在欧洲处处可以看到陶瓷金卤灯的使用。

 

　　目前陶瓷金卤灯的生产和使用主要集中在欧洲及北美洲，世界陶瓷金卤灯产量正以每年30%以上的速度增加，但仍有供不应求之势。由于技术难度很大，加以知识产权问题，目前仍然只是GE、Philips和Osram 三大公司生产。我国多处都在研发但均未成功，研发此种光源所面临的不只是很难攻克的材料和技术关键，还有更难处理的知识产权问题，目前我国政府正在大力整顿和保护知识产权，这使陶瓷金卤灯的专利问题变得更为复杂而困难。

 

　　20世纪60年代中期GE首先研发出半透明陶瓷管，并成功用于高压钠灯生产，当时虽然金卤灯的研发尚未完成，但已有人试图将这种半透明陶瓷用之于早期的金卤灯研发。80年代初期，金卤灯已经成熟，很多研究者也已发现石英金卤灯电弧管壳的诸多缺点并试图以半透明陶瓷管代替，从而改进金卤灯性能，因此加紧了陶瓷金卤灯的研发。

 

　　石英玻壳金卤灯的主要缺点是：

 

　　1、钠的渗漏造成的色温和光效漂移。

　　2、石英管壳的极限温度为1000℃，冷点温度约为900℃，而多数灯用金属卤灯物的汽化温度在1200℃左右(NaI 1300℃、TlI 824℃、InI 711℃、DyI₃>1300℃、ScI₃>1300℃……)。在正常工作状态下管壳温度不足以使金属卤化物全部蒸发，总有多种熔融态金属卤化物在泡壳中沉积，并随环境及使用情况（如水平点燃或垂直点燃等）而变化，这使灯的光效和色温不能稳定。

　　3、在使用条件严酷时（如壁负荷过高）则易失透而造成鼓泡或炸裂。

　　所以石英金卤灯特别是小功率型（<70W）其寿命很难超过5000小时（通常市售产品<3000小时）

与此相反半透明Al₂O₃陶瓷管壳则不存在上述问题，陶瓷管壳能承受的温度高达1200℃，其导热性能比石英高约一倍（1200℃时陶瓷导热率约为7×10^-2，而石英玻璃在1000℃时为2×10^-2），因此在同样平均壁负荷下陶瓷灯的最高壁温度低于石英泡壳，而冷点壁温则比石英灯高。多晶半透明Al₂O₃陶瓷不存在钠渗漏问题，抗热冲击性能和抗腐蚀性能亦较石英为佳。再则只要料源稳定、配方稳定、工艺流程稳定，则制作过程中陶瓷管的收缩率一致，陶瓷管壳尺寸和形状的偏差亦较石英管壳为小。这些特点赋予了陶瓷金卤灯以如前述的诸多优点。

 

　　但是，并非将高压钠灯陶瓷电弧管中的填充物钠换成金属卤化物就制成了金卤灯（最早的陶瓷金卤灯就是按这样的思维制作的，其早期结构示如图1，当然这样的设计是不可能成功的。

 

　　首先高压钠灯中的主要填充物钠呈碱性，其氧化铝陶瓷管正好与之匹配。如将灯中的填充物钠改为呈酸性的金属卤化物则无论陶瓷灯壳或低熔点陶瓷——玻璃焊料均将很快腐蚀，使灯漏气。

 

　　陶瓷金卤灯最早的有价值的文献和专利约自1979~1980年开始，其时内容多为外形结构、并可明显看出从高压钠灯脱胎后的逐步演进。90年代中期，陶瓷金卤灯虽已面世，但很多关键技术尚未很好解决，性能和寿命亦远不如今天的产品，但那时人们已经注意到一些急待解决的内在关键问题，如陶瓷原料的纯度组分、调配、炼制、成形和烧制工艺。灯管的结构形状以及非常重要的电极的结构问题等均需有革命性改革。此后在所有这些重要方面的研究力度继续加大，专题文献和专利快速增加，新结构新工艺大量涌现，但一些最为关键问题直到本世纪前期才算真正解决，灯的结构形式基本定型。此后灯的性能和寿命又得到很大提高，其使用开始迅速普及。