一种提高白炽灯发光效率的阳极氧化铝光子晶体、制备方法及其应用与流程

本发明属于光子晶体材料技术领域，具体涉及一种提高白炽灯发光效率的阳极氧化铝光子晶体、制备方法及其应用。

背景技术：

白炽灯作为一种热辐射光源，其在工作时灯丝温度达到3000k左右，大量的电能转换为热能，只有2％～4％的电能转换为眼睛能够感受到的光。由于其较低的能量转化效率正在被其他光源所代替。但是由于白炽灯光谱的连续性；显色指数高达近100，远高于其他光源；光通量较其他冷光源大很多；制备成本较低，约是led光源的1/26，且不含有毒物质；使用过程中无频闪，无光衰期，对视力好等优点仍然具有很大的应用潜力，因此如果可以解决白炽灯发光效率低的难题，白炽灯有望重新“上岗”。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服白炽灯发光效率较低的问题，提供一种提高白炽灯发光效率的阳极氧化铝(aao)光子晶体、制备方法及其应用，由该阳极氧化铝光子晶体制成的白炽灯灯壳可以起到透过可见光，反射近红外的作用，使白炽灯辐射的可见光波段透过，供照明使用。热辐射波段被反射，重新被灯丝吸收，最终转化为可见光。既增加了光源的发光效率，又减少了热量损失。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种提高白炽灯发光效率的阳极氧化铝光子晶体，其具有如下特征：在可见光波段保持95％的高透过率，在0.78-2.5微米的近红外反射率为90％-94％；

其制备方法如下所述：

步骤一、将厚度为0.4mm的高纯铝板用乙醇和蒸馏水进行去油、去杂质处理；

步骤二、将纯铝作为阳极，石墨板作为阴极，放置在盛有浓度为2wt％-20wt％的酸溶液作为电解液的容器内，利用高精度程控电源在电极两端施加30-50v恒定电压；采用磁力搅拌器不断搅拌电解液，在3-8℃环境下，反应1-3h后取出反应物；

步骤三、将反应物在含有3wt％三氧化铬和5vol％磷酸的混合液浸泡1-3h；

步骤四、将步骤三的反应物在40v左右的恒定电压条件下反应2h，然后施加20-50v的周期电压，每个周期时长1000s-2000s，大约为80-150个周期。随着周期时长的变化，在纯铝表面及内部形成不同厚度的层状结构，从而使各层具有不同的折射率；

步骤五、反应结束后利用5wt％的氢氧化钠去除纯铝背面的氧化膜，利用5vol％盐酸与1m的氯化铜配成的混合溶液，采用胶头滴管逐滴反应，去除未反应的纯铝；

步骤六、最后在30℃条件下，在5vol％的磷酸溶液中浸泡5-25min后得到阳极氧化铝光子晶体。

在上述技术方案中，在步骤二中，所述酸溶液为草酸、磷酸、硒酸或硫酸。

在上述技术方案中，在步骤四中所述周期电压分为三个阶段，分别为上升段、下降段和平稳段。

在上述技术方案中，在步骤四中所述周期电压上升段呈正弦形式，下降段呈线性。

在上述技术方案中，在步骤四中，所述反应周期优选为80-100个，周期时长优选为1500s左右。

在上述技术方案中，在步骤四中，在所述反应周期内每层阳极氧化铝厚度为0.1-0.5微米。

一种提高白炽灯发光效率的阳极氧化铝光子晶体灯壳结构，包括光子晶体层、高透胶层和耐高温玻壳；

所述耐高温玻壳设置于钨丝外侧周围，起封装作用；所述光子晶体层设置于耐高温玻壳内靠近钨丝一侧，所述光子晶体层由上述阳极氧化铝光子晶体制得；高透胶设置于耐高温玻壳和光子晶体层之间，起粘合作用。

在上述技术方案中，所述光子晶体层的厚度为14-16微米。

本发明的优点和有益效果为：

本发明采用反射近红外，透过可见光的方法提高白炽灯的发光效率，光子晶体层是利用阳极氧化铝制成，其对可见光部分透过率为95％，在0.78-2.5微米的近红外反射率约为90-94％；只要通过改变周期电压和周期时长来控制阳极氧化铝的层数、厚度，使其形成由不同折射率周期性叠加的阳极氧化铝光子晶体材料，这种材料因为具有光子带隙而能够阻断特定频率的光子，从而影响光子的运动。光子在不同折射率的层与层交界处产生不同程度的反射和折射，最终达到对近红外波段的反射。该阳极氧化铝光子晶体灯壳可使白炽灯的发光效率接近目前led光源的发光效率，且理论上可以达到40％左右的极限发光效率。此外，可使灯丝达到3000k左右的温度时，能量消耗减少50％左右。

本发明在光子晶体层外侧加一层耐高温玻壳，对光子晶体层起保护及支撑作用，对灯丝起封装作用。

本发明阳极氧化铝光子晶体灯壳，是提高白炽灯的发光效率，降低光源能耗的有效手段。

附图说明

图1为一种提高白炽灯发光效率的阳极氧化铝光子晶体灯壳的结构示意图(一)。

图2为一种提高白炽灯发光效率的阳极氧化铝光子晶体灯壳的结构示意图(二)。

其中：1焊锡触电，2灯头，3芯柱，4钨丝，5导丝，6光子晶体灯壳，6-1光子晶体层，6-2耐高温玻壳。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例

如图1、图2所示，白炽灯结构由焊锡触点1，灯头2，芯柱3，钨丝4，导丝5，光子晶体灯壳6构成，其中光子晶体灯壳6包含光子晶体层6-1和耐高温玻壳6-2。本发明一种提高白炽灯发光效率的阳极氧化铝光子晶体灯壳结构，包括光子晶体层，耐高温玻壳和高透胶层，所述耐高温玻壳在钨丝外侧周围，起封装作用；所述光子晶体层位于耐高温玻壳内靠近钨丝一侧，厚度约为15.8微米；所述高透胶层位于耐高温玻壳和光子晶体层之间，起粘合作用。所述光子晶体层6-2由光子晶体材料阳极氧化铝构成，起透过可见光，反射近红外的作用。主要通过改变周期电压和周期时长来控制阳极氧化铝的层数、厚度，使其形成由不同折射率周期性叠加的阳极氧化铝光子晶体材料，这种材料因为具有光子带隙而能够阻断特定频率的光子，从而影响光子的运动。光子在不同折射率的层与层交界处产生不同程度的反射和折射，最终达到对近红外波段的反射。

由于白炽灯灯丝工作温度在3000k左右，其光谱的96.2％在0.3-2.5微米之间，主要通过控制反应周期和周期时长来控制阳极氧化铝的层数和厚度，其中层数与周期成正比，每层厚度与周期时长成正比，最终使光子晶体层对近红外波段具有高反射，使灯丝辐射出的热量反射回去重新被吸收，减少热量损失。透过可见过波段，提升其发光效率。

所述光子晶体层6-1对近红外波段反射，对可见过波段透过。所述光子晶体层6-1的制作方法：

利用电化学氧化原理将纯铝作为阳极，石墨板作为阴极，放置在盛有草酸(或者磷酸、硒酸、硫酸)作为电解液的容器内，电极两端施加30-50v恒定电压，并采用磁力搅拌器不断搅拌电解液，整个装置放置在3-8℃低温环境下，反应1-3h后取出纯铝，作为样品，在三氧化铬和磷酸的混合液中浸泡1-3h；此后再进行第二次反应，在40v左右的恒定电压条件下反应2h，然后施加20-50v的周期电压，每个周期时长1000s-2000s，大约为80-150个周期。随着周期时长的变化，在纯铝表面及内部形成不同厚度的层状结构，从而使各层具有不同的折射率，去除未反应的纯铝后得到光子晶体层。

上述实施例中一种提高白炽灯发光效率的阳极氧化铝光子晶体灯壳的制备方法，包括以下步骤：

第一步：利用电化学原理将纯铝作为阳极，石墨板作为阴极，放置在盛有草酸(或者磷酸、硒酸、硫酸)作为电解液的容器内，电极两端施加恒定电压，并采用磁力搅拌器不断搅拌电解液，整个装置放置在低温环境下，反应一段时间后取出样品，浸泡在三氧化铬和磷酸的混合液中，去除样品表面的氧化膜；

第二步：去除氧化膜的样品在周期电压下进行第二次反应，随着纯铝在电解液中不断氧化及氧化膜不断溶解，在纯铝表面及内部形成折射率不同的多层阳极氧化铝，去除未反应的纯铝后得到光子晶体层6-1；

第三步：将光子晶体层6-1通过高透胶粘合在耐高温玻壳6-2上，三者充分接触，形成光子晶体灯壳6；

第四步：将光子晶体灯壳6封装在芯柱3，钨丝4，导丝5外侧，同时将内部空间充满氩气；

第五步：将封装好的白炽灯通过焊锡触点1接通电源，使得钨丝发出的可见光波段透过，提高发光效率，近红外波段反射，被钨丝重复吸收。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。