纳米特制陶瓷HID灯阴极的研究
关键词：纳米特制陶瓷HID灯阴极 寿命 激活 发射
1.前 言
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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。 山东照明网 http://www.lightingsd.com字串2
2.选材与配制 山东照明网 http://www.lightingsd.com字串7
2.1纳米粉体电子发射材料
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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； 山东照明网 http://www.lightingsd.com字串8
(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。 山东照明网 http://www.lightingsd.com字串4
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。 山东照明网 http://www.lightingsd.com字串8
2.2 纳米粉体加入剂XG 山东照明网 http://www.lightingsd.com字串2
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。 山东照明网 http://www.lightingsd.com字串7
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 山东照明网 http://www.lightingsd.com字串1
将纳米粉体发射材料(光谱纯)、锆盐(光谱纯)、溶剂(分析纯)及粘结剂按一定比例准确称量，球磨混合均匀配制即是纳米陶瓷浆料。 山东照明网 http://www.lightingsd.com字串4
由于粘结剂的残碴对阴极的寿命有影响，故粘结剂的含量尽可能少，但为了保证粘附的要求，其含量也不宜少于电子发射物质的0.8％。
3.分解与激活 山东照明网 http://www.lightingsd.com字串3
为使涂有纳米陶瓷阴极浆料的基金属电极成为具有发射电子能力的灯用阴极，需在高温高真空中对其进行处理。第一步是在高温负压的条件下使粉体材料分解为不含任何杂质气体的纯氧化物；第二步是在高温正压的条件下使其氧化物涂层内形成均匀的固熔体；第三步是在高温惰性气体气氛条件下使其纳米陶瓷层间形成均匀适量的盈余导电原子（称为热至激活）。激活的过程是使这些导电原子向其晶体内部和阴极表面扩散，激活的结果是使纳米陶瓷阴极成为具有电子导电性的半导体。
在以上物理化学反应过程中，由于纳米特制陶瓷阴极粉体材料的熔点高于其放热反应所能维持的温度，涂层开始固化，形成了微孔状态的过氧化物涂层。反应生成的氧，一部分与粘结剂分解时产生的自由碳生成一氧化碳被抽走，另一部份与阴极基金属发生反应生成中间粘结层。这里应注意的是，基金属基底由于暴露在氧气氛中的时间极短，所以仅仅在表面被氧化，而后又在高温还原气氛中得到适当的还原。 山东照明网 http://www.lightingsd.com字串6
传统阴极的三元碳酸盐是靠暂时性粘结剂(硝化棉)的作用粘附在钨丝基体上，此粘结剂在通过加热分解、阴极激活处理后，唯一尚存的粘接作用是依靠在激活过程中产生的微量氧化物颗粒烧结而获得。当发射物质涂敷量增加时，这种粘接力就不足以使颗粒之间以及颗粒同基体之间沽附在一起，涂层受到震动时就会剥落。因此，传统阴极三元碳酸盐的涂敷量最多只能达015-0.24mg/W，再多就要剥落。而以纳米特制陶瓷作为电子发射物质的阴极与传统阴极用的三元碳酸盐不同,其特点是在发射物质瓷层与基金属间存在中间粘接层XaROr，它使瓷性过氧化物发射物质的涂敷量可达25-28mg/W，是传统阴极的十多倍。 山东照明网 http://www.lightingsd.com字串6
阴极寿命是与发射物质的数量成正比的，因此,纳米特制陶瓷HID灯阴极可大幅度地提高HID灯管的使用寿命可谓无可置疑。 山东照明网 http://www.lightingsd.com字串3
必须指出：这种XaROr中间粘接层不同于普通灯丝阴极中由于氧化钡发生还原反应而生成的BaWO6，因后者没有发射性能。这种具有发射性能的XaROX就其性质来说，是纳米特制陶瓷HID灯阴极材料的固有特性，这种优良特性使HID灯管的光通量指标得到了大幅度地提高。 山东照明网 http://www.lightingsd.com字串3
经过一系列制瓷工艺之后，纳米特制陶瓷HID灯阴极在激活过程中所能释放的杂质气体为痕量级。所以，在制灯工艺中无需再分解。 山东照明网 http://www.lightingsd.com字串9
唯有游离导电原子的存在，才能在激活过程中将纳米陶瓷由绝缘体变成半导体。在实践中选择合适的激活温度与压力，可使自由导电原子的还原和扩散足够迅速地到达阴极表面，形成高效率的热电子发射群体。
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4.分析与研究
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从微观分析结果看，在纳米特制陶瓷HID灯阴极基金属（镧钨合金或纯性镍）表面，支取电流的中心区域和不支取电流的边缘区域，成分和形貌有很大差别。纳米特制陶瓷HID灯阴极支取电流的中心部分，其基金属晶界处几乎没有外来杂质。在不支取电流的边缘区域，基金属表面晶界处有少量外来杂质的微小晶粒。见下图： 山东照明网 http://www.lightingsd.com字串5
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纳米陶瓷阴极电镜照片
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在纳米特制陶瓷HID灯阴极基金属中，含少量活性金属原子。阴极工作期间，这些活性金属原子沿着基金属晶界向表面扩散。在瓷层中或瓷层与基金属表面处与纳米特制陶瓷粉体反应生成盈余的自由导电原子在阴极涂层中起激活剂的作用。 山东照明网 http://www.lightingsd.com字串9
2RXO+YX →YXO2+2RX 山东照明网 http://www.lightingsd.com字串4
阴极涂层中盈余自由导电原子RX的存在是阴极具有良好发射的前提，但是YX 还原RXO 产生盈余RX 的同时，也产生了高阻物质RX2YXO4： 山东照明网 http://www.lightingsd.com字串8
2RXO+YXO2 →RX2YXO4
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纳米特制陶瓷HID灯阴极制成之后，在使用中电流通过基金属时，高阻物质将会减少；这样相应产生的焦尔热少，同时也有利于基金属中还原剂在瓷层中的扩散。纳米特制陶瓷HID灯阴极在工作期间，自由金属原子的蒸发速度远远低于传统钨、钼、釷、镧等及其合金阴极，是因为其自身能够吸收、吸附自由导电原子。已有实验证明：纳米特制陶瓷HID灯阴极工作一段时间后，纳米特制陶瓷粉体颗粒表面含有较多的自由导电原子，说明其自身对自由导电原子有较强的吸附能力。这种吸附降低了涂层中自由导电原子的蒸发速率，使阴极涂层中的自由导电原子长期保持较高的浓度，这是纳米特制陶瓷HID灯阴极能够达到长寿命的重要原因之一。 山东照明网 http://www.lightingsd.com字串8
实验还证明，纳米特制陶瓷HID灯阴极在800±20℃条件下就能产生氧空位，温度越高空位越多。HID灯阴极在工作时的温度约为1050℃，也就是说：纳米特制陶瓷HID灯阴极在工作时RX2YXO4就源源不断地产生氧空位。由于氧空位的扩散系数大于自由金属原子，纳米特制陶瓷HID灯阴极的氧空位就会向其晶格内扩散，产生盈余自由导电原子，使纳米特制陶瓷粉体材料晶粒不断地被激活。因此，纳米特制陶瓷HID灯阴极一直保持良好的活性。 山东照明网 http://www.lightingsd.com字串1
在纳米特制陶瓷HID灯阴极支取电流的基金属的中心部位，RX2YXO4比不支取电流的边缘部分少的多，从寿命实验可看到，在大密度电流状态下工作，纳米特制陶瓷HID灯阴极较普通钨、钼、釷、镧等及其合金阴极表现出更加明显的优势。 山东照明网 http://www.lightingsd.com字串1
5.问题与对策
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在HID灯的制造或使用中普遍存在早期发黑失效的问题，纳米特制陶瓷HID灯阴极在实践中有效地抑制了发黑现象的产生。但是，任何一项技术的发展都是相对的而不是绝对的。为了应用好纳米特制陶瓷HID灯阴极技术，在制造HID灯管时需注意以下几点： 山东照明网 http://www.lightingsd.com字串5
(1)适量的高电压激活，促使活性原子充裕。即采用较高频率的高电压瞬间激活方式，以避免阴极温度突然升高而突然膨胀产生开裂现象。具体做法是：在充入氩气保护的条件下，使用高频高压瞬间辉放数次。此时，阴极端发生辉光放电。放电电流只通过阴极端而不通过阴极中间部份，所以端温度高于中间温度，端头的纳米陶瓷层间得到充分的激活，有利于启动点燃或消除黄黑现象； 山东照明网 http://www.lightingsd.com字串1
(2) 抽气时间适当。即在加热抽气时，既要达到高真空度的要求(6.7×10-3Pa)，又要避免时间过长而导致管壁冷却时重新吸气引起阴极中毒。 山东照明网 http://www.lightingsd.com字串2
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