专利名称:高压气体放电灯的制作方法
本发明阐述了一种设有一个半透明管式陶瓷灯芯的高压气体放电灯，灯芯以真空密闭的方式封接在灯内。该灯芯设有一对电极，并充满电离气体，灯芯两极设有导电元件，各与一相应电极和一相应外导电体相联，至少有一个导电元件由一个导电烧结体构成。该烧结体陶瓷颗粒间含有金属微粒。这种电灯已在美国专利4，155，758中加以说明。
陶瓷灯芯是用于那类通电时灯芯会达到100℃或更高温度的电灯的，如掺加卤素的高压钠放电灯和高压水银放电灯。需要说明，“陶瓷灯芯”在此意指包含诸如半透明气密氧化铝，铝酸镁、氧化钇、钇铝石榴石和刚玉等单晶或多晶材料的灯芯。多种晶材料可以掺加一种或多种影响灯芯制造烧结过程的添加剂，如在氧化铝中，可掺加万分之几的氧化镁以及/或氧化钇。
高压放电灯内的电离填充气体的成分和灯管材料的热膨胀系数都严格限制了能够以管、丝、帽盖的形式用于构成这种电灯导电元件的金属种类。在予定以直立式电极对通电的电灯中，导电元件之一，如上导体，与另一导体相比，有时要承受腐蚀性更强的媒介物，因而在这些电灯中，一个导电元件材料的选择要比另一导体的材料的选择受到更为严格的限制。钠是最常用作导电元件的材料，但其价格太贵。
在按上述美国描述的电灯中，使用了所谓的金属陶瓷作为导电元件。这种金属陶瓷的陶瓷颗粒可由与灯芯一样或类似的材料构成。具有(与上述颗粒)不同的热膨胀系数的金属，按照给定的体积百分比，散布在陶瓷颗粒之间。利用上述美国描述的导电金属陶瓷，在陶瓷颗粒尺寸较大时，金属的体积百分比则可小一些。然而，为得到导电的金属陶瓷，为即使利用大的颗粒(400-800/μm)，金属的体积百分比至少为4.5%。因此，上述美国指出，为了最充分地利用金属粉，要防止细小的陶瓷颗粒。
根据上述美国，陶瓷颗粒上均匀地复盖了一层金属粉，在金属陶瓷中，整个金属涂层构成一个独自的连续相位，其形式为三维金属网络，陶瓷颗粒作为不连续相位分布于其间。如果陶瓷颗粒较小，或者在陶瓷颗粒间有细小微粒，同样体积的陶瓷材料则需要较多金属粉，以便使陶瓷颗粒均匀地敷上一层金属粉。
即使用大陶瓷颗粒(400-800/μm)，上述美国提出的金属陶瓷的导电率仍然很低。由上述尺寸的大陶瓷颗粒及占总体积4.5%的钨粉构成的金属陶瓷的电阻率为60hm.cm。用这种金属陶瓷作为导电元件，就会导致很高的功率损耗。另一个缺点是在导电元件至少有一个方向的尺寸不比陶瓷颗粒尺寸大很多时，不能采用大颗粒。如果导电元件有一个或几个较小尺寸的话，就必须采用小陶瓷颗粒，因而金属体积百分比也要提高。
如果金属热膨胀紧数大大偏离陶瓷材料的热膨胀系数，金属体积百分比大则特别不利。因为应力会影响灯芯的真空密闭封接。
本发明的目的就是提供曾在起始段落中描述过的这样一种电灯，这种电灯即使使用较小的陶瓷颗粒和较少量的金属微粒，其烧结体的导电率仍很高，并且具有高强度。
根据本发明，在本文起始段落所描述的这种高压气体放电灯中，上述目的通过以下途径实现，即将导电元件烧结体所含的陶瓷颗粒相应地嵌入一个由陶瓷材料和金属联锁网络构成的导电体中。
在本发明描述的电灯中，通过一个与陶瓷材料网络相互交织的金属线路网络，将电流输至电极。这些联锁网络一起构成了烧结体的连续导电相位。因此该相位是不均匀的，与上述美国描述的烧结体连续相位完成由金属构成形成对比。由于该相位体仅有一部分由金属构成，因而在热性能方面在相当大程度上具有陶瓷材料的特性，而在电性能方面则表现出金属的特性。该导电体中有许多空穴，其中充满陶瓷颗粒。因而烧结体中的金属体积百分比很小，而且大大小于导电体体积。于是，该导电体在热性能方面(导热率和热膨胀系数)大体表现出陶瓷的性能，而在热性能方面，则具有金属特性。
有一点极为重要，即本发明描述的高压气体放电灯的导电元件连续导电相位既非全部，也非大部分由金属构成，而仅只由一定百分比的金属构成。该百分比一般为15%-60%，大部分位于20%-50%之间。如果连续相位中的金属体积百分比再低，则会失去该相位的导电率;如果金属体积百分比再高，此烧结体的应力就会大大降低，其真空密封程度也会受到影响。
该导电相位体积可相当于其内含金属的五六倍之多，与由等量的未混合其它物质的金属构成的导电相位相比，该导电相位可含更多的陶瓷颗粒，且仍保持高导电率。因此，本发明描述的电灯烧结体的金属体积百分比可以很小，却可保持很高的导电率。
在非常适宜的实施方案中，连续导电相位中的金属体积百分比为30%±5。在这些实施方案中，一方面连续导电相位的金属体积百分比很低，烧结体体积相当于其含金属体积的三到四倍，因此可含纳大量陶瓷颗粒。另一方面，在这些实施方案中，连续导电相位中的金属体积百分比相对来说仍算比较大，因而这样构成的烧结体的金属体积百分比很低，其电阻率也很低。
需要说明，就本发明描述的电灯烧结体而言，体积百分比一词意指一种成分体积与各成分总体积之比率，是根据各种纯组分的理论密度计算的。
一般使用尺寸为50-500/μm的陶瓷颗粒。导电元件中陶瓷颗粒的尺寸可分布在上述整个范围或其中一局部范围之间;例如局部范围可在100-400/μm之间，或400-500/μm之间。尺寸分布范围也可很小，如在200±20/μm之间。颗粒尺寸的下限根据制造过程中实际所能消除的最小的颗粒尺寸而定，其上限由导电元件的尺寸而定。
烧结后，这种导电元件的最小尺寸应比最大陶瓷颗粒的尺寸大几倍，例如大5倍。烧结体内陶瓷体积百分比可以很高，可超过95%。
上面所提的陶瓷颗粒尺寸是指在烧结体制造的过程中所用的尺寸，烧结中会产生40%的线性收缩，因此，经过烧结，最终尺寸为例如400-500/μm的陶瓷颗粒的最终尺寸可为240-300/μm。
与构成烧结体连续相位中的导电网络的金属粉末相比，陶瓷颗粒较为粗大。对于构成烧结体连续相位中陶瓷网络的陶瓷粉末来说，这种陶瓷颗粒也是比较粗大的。一般使用的金属粉末的颗粒尺寸为0.1-10/μm，其平均颗粒尺寸为0.4-1/μm。钨、钼、铁、钽、铌等金属及其混合物特别适宜用作此类粉末。对于导电相位的陶瓷网络来说，采用特定表面积约为6-30m2/g，微粒尺寸主要为0.3/μm左右的陶瓷粉末较好。
即使金属体积百分比很低，如少于1%，该导电元件烧结体的电阻率仍很低(milliohm<毫欧>·cm2为测量单位)。
从表1可导出保持烧结体导电率所要求的烧结体中最小的金属含量。表1指出，当所用金属粉颗粒尺寸约为0.4/μm，陶瓷粉颗粒尺寸约为0.3/μm，特定表面积为30m2/g时，金属的最小含量，即连续相位中金属体积百分比与陶瓷颗粒平均尺寸的关系。
表1
该表的颗粒尺寸”是烧结前的颗粒尺寸，即为由烧结造成的40%的线性收缩未发生以前的尺寸。
从表1可以看到，当连续相位中金属体积百分比为30%时，在栏中的乘积最低。因此，对一给定颗粒尺寸来说，可用此例中的烧结体的最小金属体积百分比。因此，当连续相位中金属粉体积百分比为30%时，所需要小金属体积百分比为
陶瓷颗粒尺寸为100/μm，体积为3%;
陶瓷颗粒尺寸为500/μm，体积为0.6%。
烧结体所含金属一般大于最低所需量。在选择烧结体中金属体积百分比时，烧结体与灯芯间膨胀数的差别也起到很重要的作用。如果灯芯膨胀系数位于烧结体中金属膨胀系数和陶瓷材料膨胀系数之间，为使烧结体与灯芯之间膨胀系数变得极小，则可能需要较大的金属体积百分比。
烧结体具体可按下列步骤制作将陶瓷粉悬浮于水溶液中。然后可加入一种影响下一烧结步骤的物质，如氧化镁等。也可代之以硝酸盐之类的镁盐加入水中;以氧化镁表示，所添加氧化镁重量约为例如0.03%。
使悬胶液干燥，并将这样产生的结块弄碎。然后进行筛选去掉大块，放在未装球磨的球磨机上摇滚，之后再进行筛选，分离出具有所要求粒度的那部分颗粒。当将这些颗粒放在空气中加热时，镁盐就会转化成氧化物。
按予定体积比混合金属粉(或氧化金属粉)和陶瓷粉。使粉末悬浮于诸如乙醇之类的一种液体中加以混合，是一种十分适宜的方法。因乙醇之类的液体大体不致形成块状物。在这一实例中，还可加入一种影响烧结步骤的物质，如氧化镁。然后使悬胶液变干燥。如果需要，可将这些经过干燥的剩余物质放在球磨机中研磨。如果用的是氧化金属粉，以氧化钨为例，就要放在温度约为700℃的氢气中脱氧还原。经过烧结，即可以上述粉末混合物中分别得到陶瓷材料和金属联锁网络的导电体。
按予定比例将粉末混合物和陶瓷颗粒放在一起，通过摇滚加以混合。然后均衡地压缩，最终气压可为例如0.5-2Kbar。所得到的压制件经过机械予处理，放在真空中，或在一种中性或还原气体中烧结，温度可高达例如1600℃-1800℃。
欧洲28，885提到了本文起始段落中提及的美国4，155，758。虽然上述美国将制作导电元件的烧结温度范围规定为1600-1800℃，但欧洲提出，在1800-1975℃的温度范围中，陶瓷材料与金属的结合十分牢固。据上述欧洲，由于在上述温度范围中，陶瓷材料中的颗粒尺寸极大增长，由此产生了空穴和内部应力，而且金属粉会与陶瓷颗粒相结合。这样就阻止了陶瓷颗粒的极大增长。然而，陶瓷颗粒中的金属并未有助于提高导电元件的导电率，实际上却提高了金属体积百分比。
有关本发明的实验已表明，强度大大低于250mm/m2(经三点弯曲试验测量)的烧结体不是真空密闭的，或不会保持真空密闭状态。本发明描述的电灯烧结体的强度为250mn/m2，或大大高于该值，一般为300-400mn/m2。这种高强度是由烧结体自身结构产生的，因烧结体中非连续相位的陶瓷颗粒实际与连续相位的陶瓷网络相接触。这样，在烧结过程中就会产生了大量的陶瓷-陶瓷链，使连续相位和非连续相位互相紧固联结。因此，在前述的烧结导电元件的1600-1800℃这一较低的温度范围中，足以得到较高的强度和较高的真空密闭度。这一温度范围同时又低得足以防止颗粒的极大增长。因此，金属粉不一定必须与烧结体内的陶瓷颗粒结合。
按本发明制作的其连续相位中金属体积含量高达35%的烧结体，其断裂表面的检查表明，这些断裂表面径直穿过颗粒。显然，不是连续相位与陶瓷颗粒的粘附，而是烧结体构成成分的内部强度决定了烧结体的强度。这种烧结体与目前已知的烧结体的情况正好相反，因在已知烧结体中，陶瓷颗粒结合于由金属粉构成的连续相位中。于是一个断裂面上的空穴与另一断裂面上突出的陶瓷颗粒相对应。显然，在这些已知的烧结体中，连续相位与陶瓷颗粒的粘附程度较低。而在根据本发明制作的烧结体中，连续相位中金属含量超过35%，再继续增长，可发现烧结体断裂表面沿颗粒表面不断延伸。
附图显示了根据本发明制作的高压放电灯的一个实例。
图1为根据本发明制作的高压放电灯实例的透视图。
图2为纵向截面图，显示了图1电灯的一个细节。
在图1中，真空玻璃灯泡2与灯头相接，一个半透明管式陶瓷灯芯1设置并以真空密闭的方式封接在灯泡2内。终端导线4和5与灯头3联通，并支撑灯芯1。终端导线5作为外导体与一铌管接头6相联，该管接头6作为导电元件，终端导线4与外部电流导体8相联，导体8与充当导电元件的烧结体7相联。导电元件6和7各与位于灯芯1内的相应电极接通。(因此这时电极是看不到的)。灯芯1内充满电离气体，内含0.4mg铟，17.5mg水银，3.7mg碘化铊，30mg碘化钠，2mg碘化汞和氩在室温下压强5330Pa的氩。
如图2所示，灯芯1终端有一个陶瓷园盘10，它是通过烧结固定嵌入灯芯1的。烧结体7借助熔接材料13以真空密闭方式与园盘10相联。在充当导电元件的烧结体7烧结时，钨电极11，12以及一个外部电流钼导体8固定地嵌入烧结体7，并借助烧结体互相联通。
图1，2的电灯可在灯头朝下，灯体本身处于直立的位置上工作。
表2列出烧结体7各实例的特征。
烧结体制造步骤如下将特定表面积为25m2/g的Al2O3粉悬浮于水中，水中掺入Mg(NO3)2，其掺入量为对应Al2O3按250PPmMgO比例计算的相应量的Mg(NO3)2。使该悬浮液干燥，破碎干燥后的剩余物质，通过一个500/μm的筛子加以筛选。再将颗粒放在未设置球磨的球磨机上摇动，然后筛选分离出相当于表1所列尺寸的颗粒部分。将这部分颗粒放在空气中加热，在600℃的温度下加热10小时，在1200℃的温度下加热1个小时。然后将这些颗粒作为烧结体的非连续相位。
按照得到表1栏3金属体积百分比的比率，将微粒尺寸主要为0.4/μm的钨粉悬浮于乙醇中，与上述Al2O3粉(内含250PPm的氧化镁)混合。使该悬胶液干燥，将干燥后的剩余物质放在球磨机中研磨成粉。这种金属粉用作相关烧结体联锁网络的连续导电相位。
按照得出表1栏2钨粉体积百分比的比率，将粉末混合物与陶瓷颗粒放在一起，并通过摇动使两者混合。
将上述混合物均匀地压缩到一起，压缩时的最终气压1.6Kbar。将压制出来的压制件进行机械处理，使之具备正确的形状，并装上一个电流导体和一个电极。最后将整个压制件1700℃的温度下烧结两个小时。
勘误表
CPEL855087
勘误表
权利要求
1、高压气体放电灯设有一个以真空密闭方式封接于灯内的半透明管式陶瓷灯芯，灯芯有一对电极，并充满电离气体，灯芯两端设有导电元件，各与相应电极和相应外部电流导体相联，至少有一个导电元件由导电烧结体构成，该烧结体内含金属微粒，分布于陶瓷颗粒之间，其特征表现为导电元件烧结体所含陶瓷颗粒是相应嵌入陶瓷材料和金属联锁网络导电体中的。
2、按照权项1所述的高压放电灯，其特征表现为导电体中金属体积百分比为20%-50%。
3、按照权项2所述的高压放电灯，其特征表现为导电体金属体积百分比25%-35%。特征表现为导电体金属体积百分比25%-35%。
专利摘要
根据本发明描述的设有一个陶瓷灯芯的高压气体放电灯至少包括一个由导电烧结体(7)构成的导电元件。该烧结体(7)的陶瓷颗粒相应地嵌入一个由陶瓷材料和金属联锁网络组成的导电体中。
文档编号H01J61/36GK85102092SQ85102092
公开日1986年10月29日 申请日期1985年4月1日
发明者塞吉坦比克 申请人:菲利浦光灯制造公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan