纳米特制陶瓷HID灯阴极的

纳米特制陶瓷HID灯阴极的研究摘要：纳米特制陶瓷HID灯阴极是中国发明专利技术，本文讨论了纳米特制陶瓷HID灯阴极的制备工艺。纳米特制陶瓷HID灯阴极，其特点是在氧化物发射层里加入数种复杂的XG基化合物并经过特殊的陶瓷工艺制造而成。这种纳米特制陶瓷阴极与传统阴极有着不同的机械结构，具有激活反应速度快、无须分解、不释放有害气体，发射性能好、耐轰击能力强、使用寿命长等优点；完全可以取代传统钨、钼、钍、镧等及其合金阴极或其它任何金属阴极用于气体放电灯及其它电子真空器件中，是电光源阴极的换代产品；特别是在HID灯高速生产线中使用，将会对气体放电光源技术带来一场革命。关键字：纳米特制陶瓷HID灯阴极寿命激活发射1.前言

将电能转换成为光学辐射能的器件称为电光源，其产品称之为电光源产品。随着科学技术的发展和进步，电光源产品在人类生活的各个领域中应用越来越广泛。阴极是电光源产品的一个核心部件，它决定着电光源的性能(特别是使用寿命)。大多数气体放电灯（HID灯）的损坏，都是由于阴极的性能劣化或失效而引起的。使用纳米陶瓷粉体材料特殊制造电光源的阴极，是中国发明专利技术（从1999年至今已申请了16项中国专利）。纳米特制陶瓷HID灯阴极具有激活反应速度快、无须分解、不释放有害气体，发射性能好、耐轰击能力强、使用寿命长等优点；完全可以取代传统钨、钼、钍、镧等及其合金阴极或其它任何金属阴极用于气体放电灯及其它电子真空器件中，是电光源阴极的换代产品；特别是在HID灯的高速生产线中使用，将会对气体放电光源技术带来一场革命。2.选材与配制2.1纳米粉体电子发射材料混合金属弱酸盐,沉淀部分原料的水合物，将其加热以除去结晶水，制备电子发射物质的纳米粉体陶瓷材料。这种方法的优点是：(1)整个反应为均相反应，所用的反应物均为完全溶于水的物质。因此，可得到纳米级粒度；(2)所用材料纯度均为分析纯，得到的产物纯度较高；(3)沉淀生成的产物是离子晶体混合物，与机械混合反应物相比，其功函数极小，发射量极大。将按此法生产的纳米粉体材料经特殊制造工艺而成为纳米陶瓷阴极，用于制造HID灯管，并且经过国家轻工业部质量检测中心检测可知，其各项性能指标完全满足HID灯制造工艺的技术要求。2.2纳米粉体加入剂XG衡量阴极性能好与坏的技术指标是它的发射性能、蒸发性能和耐轰击性能。为提高阴极耐正离子轰击的能力，减少发射材料的蒸发，需在上述制成的纳米粉体材料中加入XG。在纳米特制陶瓷阴极的基体里熔有XG，它无疑增加了基体的机械强度及瓷层的电导，防止了基金属在热冲击下发脆，改善了瓷层与基体之间的粘合性能，避免了由于基金属扩散到瓷层中激活剂的氧化以及基金属的氧化。从根本上克服了传统钨、钼、釷、镧等及其合金阴极长期以来难以解决的易形成中间电阻的问题。加入XG是因其热导率低，可降低阴极的蒸发速度；它的膨胀系数在1380℃时约为5×10-6cm／℃和基金属相近，使陶瓷层和基金属结合紧密，耐振动而不脱落。而且，XG与自由导电原子发生反应时，生成的复合盐浆有极好的耐正离子轰击能力，不易溅射，能降低阴极中间层的电阻，使瓷层不易过热，从而达到抑制蒸发的目的。另外，加入XG还会影响基金属界面因化学反应所释放的自由导电原子的扩散系数，从而改善激活性能。而且加入XG容忍活性气体的存在。因此，纳米粉体阴极材料中加入XG后，阴极发射瓷层的性能得到改善，寿命得以延长。实验结果表明，XG的加入量应控制在8～10％之间。2.3

纳米陶瓷浆料的配制铁将纳米粉量体发射材序料剪(祥光谱聋纯学)缝、锆楚盐秆(垄光谱响纯岩)顺、溶纱剂僚(钟分析缘纯王)股及粘结剂按一端定比例准确称盲量，球磨混合汤均匀配制即是郑纳米陶瓷浆料大。丰由于粘结返剂的残碴对阴赖极的寿命有影脆响，故粘结剂光的含量尽可能同少，但为了保王证粘附的要求确，其含量也不互宜少于电子发拨射物质谦的微0.拉8膨％。灾梳纪3约.冒分解与激活春为使涂有苦纳米陶瓷阴极赢浆料的基金属从电极成为具有研发射电子能力重的灯用阴极，蜜需在高温高真催空中对其进行毙处理。第一步剑是在高温负压偿的条件下使粉枕体材料分解为抄不含任何杂质趴气体的纯氧化音物；第二步是韵在高温正压的伐条件下使其氧小化物涂层内形有成均匀的固熔书体；第三步是蝴在高温惰性气悲体气氛条件下饱使其纳米陶瓷扛层间形成均匀伴适量的盈余导屡电原子（称为送热至激活）。饶激活的过程是塑使这些导电原楚子向其晶体内乌部和阴极表面事扩散，激活的追结果是使纳米优陶瓷阴极成为危具有电子导电耐性的半导体。扮在以上物受理化学反应过屯程中，由于纳捆米特制陶瓷阴亿极粉体材料的返熔点高于其放神热反应所能维躬持的温度，涂伪层开始固化，撕形成了微孔状桶态的过氧化物慧涂层。反应生放成的氧，一部浑分与粘结剂分奸解时产生的自丙由碳生成一氧泽化碳被抽走，刊另一部份与阴畏极基金属发生尝反应生成中间胞粘结层。这里锡应注意的是，际基金属基底由便于暴露在氧气迎氛中的时间极达短，所以仅仅殃在表面被氧化赏，而后又在高诵温还原气氛中脾得到适当的还奥原。遵传统阴极宴的三元碳酸盐晋是靠暂时性粘佛结值剂绢(窃硝化唱棉寺)氧的作用粘附在斤钨丝基体上，污此粘结剂在通团过加热分解、狱阴极激活处理治后，唯一尚存野的粘接作用是屯依靠在激活过第程中产生的微副量氧化物颗粒站烧结而获得。谣当发射物质涂霞敷量增加时，钞这种粘接力就危不足以使颗粒稳之间以及颗粒扛同基体之间沽沿附在一起，涂依层受到震动时宰就会剥落。因弊此，传统阴极耐三元碳酸盐的堂涂敷量最多只亚能妇达邮015-0.算24mg/宽W照，再多就要剥盖落。而以纳米肿特制陶瓷作为翅电子发射物质勉的阴极与传统位阴极用的三元居碳酸盐不炮同脾,扛其特点是在发中射物质瓷层与扶基金属间存在柱中间粘接摔层燃XaRO足r隆，它使瓷性过营氧化物发射物扯质的涂敷量可核达连25-28m轨g/国W玉，是传统阴极厌的十多倍。谢阴极寿命无是与发射物质黄的数量成正比聪的，因袍此亩,熔纳米特制陶明瓷漠HI三D爱灯阴极可大幅湾度地提喊高鹰HI哀D袄灯管的使用寿脑命可谓无可置秋疑。爹必须指出隶：这轿种辫XaRO顿r仍中间粘接层不谢同于普通灯丝陷阴极中由于氧据化钡发生还原没反应而生成曲的签BaWO耻6璃，因后者没有气发射性能。这妇种具有发射性网能凡的叔XaRO刃X装就其套性质来说，是宵纳米特制陶盾瓷凑HI温D题灯阴极材料的蜓固有特性，这搞种优良特性悔使嫩HI火D章灯管的光通量急指标得到了大暴幅度地提高。司经过一系堪列制瓷工艺之否后，纳米特制修陶煎瓷亏HI谢D访灯阴极在激活宾过程中所能释催放的杂质气体黄为痕量级。所垮以，在制灯工杠艺中无需再分吃解。否唯有游离截导电原子的存蝶在，才能在激问活过程中将纳薄米陶瓷由绝缘涂体变成半导体缠。在实践中选摄择合适的激活精温度与压力，介可使自由导电铸原子的还原和脾扩散足够迅速浓地到达阴极表漫面，形成高效表率的热电子发何射群体。球摩还4璃.渐分析与研究则从微观分斑析结果看，在遮纳米特制陶丽瓷蚁HI榴D内灯阴极基金属浊（镧钨合金或径纯性镍）表面找，支取电流的真中心区域和不倘支取电流的边援缘区域，成分草和形貌有很大悄差别。纳米特脱制陶桃瓷统HI蜡D风灯阴极支取电烛流的中心部分糠，其基金属晶恐界处几乎没有巧外来杂质。在疏不支取电流的恨边缘区域，基返金属表面晶界顶处有少量外来摧杂质的微小晶确粒。见下图：霸纳米陶瓷阴极栗电镜照片俯在纳米特成制陶良瓷获HI并D例灯阴极基金属俯中，含少量活勿性金属原子。唤阴极工作期间何，这些活性金槐属原子沿着基固金属晶界向表辨面扩散。在瓷墨层中或瓷层与判基金属表面处龟与纳米特制陶笋瓷粉体反应生法成盈余的自由尝导电原子在阴织极涂层中起激蜓活剂的作用。老丹允2R愧X策O+Y而X氧允→肯Y汪X往O沿2牵+2R贪X鼻阴极涂层险中盈余自由导阴电原艺子神R强X软的存在是阴极志具有良好发射裳的前提，但苦是厅Y玉X糊定还径原草R幕X并O惜酬产生盈幕余碰R驻X条度的同时，也产携生了高阻物恩质宴R钢X2衣Y币X拆O加4再：淘观峡2R搏X穴O+Y腾X秤O植2黎→浙R加X2恢Y想X但O拜4吼纳米特制稍陶杨瓷擦HI俭D迈灯阴极制成之温后，在使用中袄电流通过基金融属时，高阻物车质将会减少；盲这样相应产生际的焦尔热少，专同时也有利于烧基金属中还原肿剂在瓷层中的鼓扩散。纳米特馋制陶顽瓷违HI拦D投灯阴极在工作锦期间，自由金栗属原子的蒸发从速度远远低于歌传统钨、钼、栏釷、镧等及其罢合金阴极，是王因为其自身能帮够吸收、吸附界自由导电原子嗽。已有实验证危明：纳米特制昆陶衰瓷该HI喝D液灯阴极工作一粉段时间后，纳催米特制陶瓷粉圆体颗粒表面含和有较多的自由赛导电原子，说锤明其自身对自轧由导电原子有香较强的吸附能纱力。这种吸附隐降低了涂层中纹自由导电原子佛的蒸发速率，作使阴极涂层中银的自由导电原初子长期保持较风高的浓度，这自是纳米特制陶距瓷剧HI牺D辩灯阴极能够达胳到长寿命的重肢要原因之一。计实验还证辣明，纳米特制馅陶咳瓷汇HI屠D研灯阴极品在庙800±雨2伙0交℃渔条件下就能产裂生氧空位，温馋度越高空位越餐多客。醉HI摧D彩灯阴极在工作蜜时的温度约为尖105尤0唇℃讽，也就是说：英纳米特制陶亭瓷吃HI脏D葱灯阴极在工作等时瘦R稿X2面Y忙X腾O叙4腿就源源不断地斯产生氧空位。文由于氧空位的乘扩散系数大于裁自由金属原子怪，纳米特制陶解瓷艇HI拐D庙灯阴极的氧空爪位就会向其晶售格内扩散，产霸生盈余自由导钟电原子，使纳挖米特制陶瓷粉饰体材料晶粒不灵断地被激活。略因此，纳米特里制陶猾瓷束HI侧D蜂灯阴极一直保毯持良好的活性厉。患在纳米特芳制陶续瓷接HI岁D受灯阴极支取电省流的基金属的插中心部位棒，售R刻X2打Y测X转O腊4尘比不支取电流舅的边缘部分少焰的多，从寿命免实验可看到，楼在大密度电流苏状态下工作，芝纳米特制陶示瓷总HI捆D季灯阴极较普通蛇钨、钼、釷、衰镧等及其合金栏阴极表现出更枕加明显的优势里。肿副四5印.蒙问题与对策米超在委HI视D溉灯的制造或使超用中普遍存在催早期发黑失效投的问题，纳米拉特制陶血瓷萌HI垒D养灯阴极在实践烫中有效地抑制零了发黑现象的收产生。但是，夸任何一项技术辛的发展都是相秘对的而不是绝热对的。为了应烛用好纳米特制扩陶思瓷瘦HI凤D域灯阴极技术，伶在制帐造唤HI滋D拢灯管时需注意茧以下几点：强(科1)钓适量的高电压受激活，促使活独性原子充裕。网即采用较高频维率的高电压瞬羡间激活方式，旨以避免阴极温练度突然升高而苍突然膨胀产生案开裂现象。具哲体做法是：在撤充入氩气保护团的条件下，使永用高频高压瞬鬼间辉放数次。但此时，阴极端覆发生辉光放电慌。放电电流只猎通过阴极端而升不通过阴极中夹间部份，所以筛端温度高于中馒间温度，端头怨的纳米陶瓷层叙间得到充分的菜激活，有利于俗启动点燃或消存除黄黑现象；葛(偶2)巧旨抽气时间适当鼓。即在加热抽普气时，既要达罚到高真空度的庭要斗求坐(息6.7×10散-3赚Pa北)将，又要避免时赛间过长而导致圈管壁冷却时重绞新吸气引起阴恋极中毒。祸(举3)蛇屡选择适宜的消愈气剂或消气剂倦。旨纳米特制夜陶飘瓷肌HI扭D止灯阴极，其特蹈点是在氧化物抽发射层里加入冷数种复杂岛的印X迅G瓶基化合物并经按过特殊的陶瓷诱工艺制造而成工。这种纳米特贤制陶瓷阴极与疑传统阴极有着剧不同的机械结稼构。锯阴极老化绑的原因是游离侦金属原子在真井空状态下蒸发屑，沉积在阴极狂表面；结果是裕使施主浓度下制降，降低了阴奉极的发射能力廉。如果能降低悠发射层表面金废属原子的蒸发渐速度，就能延麻长阴极的使用婆寿命。纳米特新制陶莲瓷痕HI快D歇灯阴极之所以铃会延长其使用偏寿命，原因之倦一就是因为减刷少了金属原子攀在阴极表面的法沉积量。纳米娇特制陶瓷阴极汗基金属里的活杂性金属原子的携还原作用，使雄纳米特制陶瓷踩粉体逐渐变成暖游离金属原子翅作为施主，负扇责发射热电子挑；这其一是抑糖制了金属原子静的蒸发速度，露其二是降低了著金属原子的生摔成速度。秧纳米特制惑陶伐瓷妹HI乌D市灯阴极寿命的惕增加也可以用慨其电阻减小来书解释，阴极电欠阻减小才会有醒更高的自由金康属原子浓度。闲另外，电阻减奔小了，焦尔热锄就低了。所以宫，即使是在高慈电流密度负荷还下，纳米特制昨陶粥瓷腐HI票D另灯阴极老化的其速度也极为缓余慢。在纳米特盲制陶气瓷班HI娘D茂灯阴极中其复情杂劳的脆X细G而基化合物，既训抑制了自由金该属原子的蒸发努，延长了阴极歼工作的期限，搁也改善了阴极蓝的使用性能：萍纳米特制陶瓷法阴歇极赔HI喘D疲灯与金属阴统极燕HI杀D对灯光电参数比局较表辣光源名称板耗电量芳光通亮搬色温缠使用寿命麻使用环境温度饺金属阴爷极饿HI淋D杆灯富35W联3200Lm跟420牛0盗～逐12000K况2500hr拔-4徐0征℃站←件→抛+幅10蒜5损℃巧纳米特制陶瓷著阴狸极核HI辞D衡灯摄35W砍3600Lm辽420呀0稀～宴12000K消15000h缩r慎-4桥5志℃理←馆→誓+贿11地5王℃泥三诊6广.槽结禁沟论富纳米特制轰陶滴瓷傲HI愤D妥灯阴极由于其戚内在成份及机兵械结构与传统韵阴极截然不同吗，使其与传统雅阴极相比有如忌下显着的优点罪：旋1.微纳米特制陶戏瓷绸HI这D其灯阴极的发射泻寿命为传统阴宫极的八倍，尤与