陶瓷金鹵燈技術最新進展

李煒 周振民 陳佐興 張善端

(1 復旦大學電光源研究所;先進照明技術教育部工程研究中心，上海市 200433;2 上海亞明燈泡廠有限公司，上海市 201801)

1 陶瓷金鹵燈發展現狀

陶瓷金鹵燈電弧管的工作溫度比石英金鹵燈高200℃以上，具備光效高、顯色性好、壽命期間色溫偏差小以及壽命長等優點，是性能最高的電光源之一，作為高端產品已逐漸被市場認可。小功率陶瓷金鹵燈廣泛用于室內商業照明，中大功率陶瓷金鹵燈逐步在道路照明中得到推廣［1］。1990年代中期，飛利浦率先實現陶瓷金鹵燈的產業化，之后歐司朗、通用電氣、松下、巖琦等公司跟進并達成專利共享。

陶瓷金鹵燈是國內氣體放電光源研究開發的熱點，主要目標是自主制造半透明陶瓷管，優化電弧管的電極封接和藥丸成分，提高燈的光效和壽命。國內企業自2005年起開始研發陶瓷金鹵燈，采用的都是毛細管封接工藝，目前已實現了量產［2－4］。亞明公司開發了陶瓷管的生產工藝和設備，克服了電極封接、陶瓷管腐蝕等難題，在國內企業中率先實現了陶瓷管、電弧管、整燈、鎮流器和燈具組合的自主研發，形成了年產100萬只的批量生產能力，實現了4種功率 (20，35，70，150 W)小功率陶瓷金鹵燈及其配套電子鎮流器新產品的產業化［5－8］。對于功率70 W色溫3000 K的陶瓷金鹵燈，其參數可達到:光效90 lm/W，顯色指數92，8 kh光通維持率＞82%，壽命15 kh.目前國內企業正致力于180～330 W中功率陶瓷金鹵燈的研發，以滿足道路照明的需求。

本文主要介紹第12屆國際光源科技研討會上報道的國外陶瓷金鹵燈的技術進展，以及國內在陶瓷金鹵燈產業化方面的進步，指出下一步的研究方向是非飽和陶瓷金鹵燈和無汞陶瓷金鹵燈。

2 國外陶瓷金鹵燈技術進展

2.1 非飽和陶瓷金鹵燈

電弧管是決定金屬鹵化物燈性能優劣的最關鍵因素。在電弧管內部，發生著復雜的物理、化學過程，因此電弧管的工作條件直接影響其內部過程，從而影響光源的特性。由于多晶氧化鋁 (PCA)陶瓷管比石英玻璃管更耐高溫，陶瓷金鹵燈可以在更高的溫度下工作，因此其光效、顯色性更高，壽命期間的顏色一致性更佳。但普通陶瓷金鹵燈中金屬鹵化物只有部分蒸發，處于飽和蒸氣壓狀態，以氣相和液相共存。同時，由于連接鎢電極的鉬 (Mo)熔點有限，通常在電弧管兩端毛細管內部引出電極，以使封接部位遠離高溫電弧區，這就在毛細管中留下了間隙 (見圖1)［9］。這樣，燈燃點后液相金屬鹵化物 (熔鹽)就會進入間隙中，形成冷端，使燈的參數隨冷端的變化而變化，同時液態金屬鹵化物也會腐蝕陶瓷管壁。

圖1 普通陶瓷金鹵燈的毛細管封接結構［9］

圖2 用銥匹配封接的無間隙陶瓷電弧管［9］

飛利浦公司的Hendricx等發現金屬銥 (Ir)不但熔點高，而且其膨脹系數與PCA匹配，還耐鹵化物腐蝕，于是提出用Ir焊接鎢電極，由Ir與PCA匹配封接，取消了毛細管，形成無縫隙結構 (見圖2)［9］。這樣，管壁溫度可進一步提高 (比毛細管結構高250℃)，光源參數進一步提高;而且由于金屬鹵化物完全氣化，處于非飽和狀態，不受冷端限制，因此燈的光色一致性大大改善，冷端的腐蝕也大大減小。

非飽和陶瓷金鹵燈的主要特性有［9］: (1)小尺寸，泡殼溫度提高250 K(非飽和1450－1550 K，飽和1200－1300 K)，使金屬鹵化物完全氣化;(2)光效比飽和式陶瓷金鹵燈提高20%，達120 lm/W; (3)壽命期間顏色穩定 (＜3 SDCM);(4)色溫、色坐標不隨燃點位置變化; (5)調光時顏色穩定;(6)壽命20 kh;(7)溫升快，20 s到80%光通量;(8)高顯色性，可獲得跟鹵鎢燈相近的光譜，顯色指數98;(9)高管壁溫度，易于實現無汞放電。

2.2 無汞陶瓷金鹵燈

金鹵燈藥丸成分通常包括Hg和金屬鹵化物。其中Hg蒸發后提供足夠高的蒸氣壓以獲得高管壓，金屬元素輻射發光。近年隨著對環保的重視，金鹵燈無汞化的研究也取得進展。最初飛利浦公司用Zn取代 Hg［10，11］，利用 Zn的分子輻射連續譜獲得高光效和顯色性。但用Zn取代Hg后，為維持高光效將犧牲顯色指數，同時由于需要更高的管壁溫度才能保證Zn的蒸氣壓，這加劇了對PCA管壁的腐蝕。

歐司朗公司的Kaning等采用了全新的無汞陶瓷金鹵燈方案［12］?？紤]到兩個有利因素:1)給定功率下，電弧截面越小，燈電壓就越高;2)電弧管內低溫區不僅能產生有利于顯色指數提高的分子輻射，還能使電弧收縮。于是他們提出了一組基于TmI3的填充體系 (Xe－TlI－AlI3－TmI3)，該填充系不僅無汞，而且其分子輻射使光源參數比較理想:光效90 lm/W，顯色指數90，色溫3420 K，燈電壓70 V.其光譜也呈現出與傳統金鹵燈不同的分布特性，如圖3所示［12］。同時，他們還具體研究了 (Xe－Tl－AlI3－ReI3，Re為稀土金屬)系的分子連續譜特點，為無汞填充劑的選取提供了依據［13］。

圖3 填充Xe－TlI－AlI3－TmI3無汞陶瓷金鹵燈光譜［12］

圖4 兩件套陶瓷電弧管［14］

2.3 電弧管及其附件

陶瓷金鹵燈電弧管的成型工藝直接影響其質量和光源的性能。常見的工藝有五件套成型和三件套成型。Dudik等提出了兩件套成型工藝 (見圖4)，指出其優點在于成型過程中幾乎是無應力接合［14］。

陶瓷金鹵燈中，電極的引入是一個十分復雜的工藝，該工藝要求所用金屬材料應同時滿足以下要求:與陶瓷毛細管的膨脹系數匹配;熔點要高，耐高溫;耐鹵化物腐蝕;容易與鎢電極焊接。Baier等總結了陶瓷金鹵燈中使用的四種電極－陶瓷管封接方案［15］:Nb合金 (NbZrl);Mo－Al2O3金屬陶瓷;(微合金)Ir引線;多段式的電極組件。這幾種電極組件的熱膨脹系數和陶瓷材料都很接近，且化學穩定性好。其中Nb合金 (NbZrl)組件可通過激光點焊組合成型，用玻璃焊料封接到陶瓷管。Mo－Al2O3電導率高，而熱導率適中，不會使接合處溫度過高。Ir引線化學穩定性很好，高溫下蒸氣壓低，在非飽和陶瓷金鹵燈中的應用如2.1節所示。但由于Ir是貴金屬，成本很高，一般只用于性能要求特別高的特種燈。多段式電極組件組合不同的金屬材料，使其發揮各自功能，但焊接技術是關鍵。

金屬鹵化物中廣泛使用的電極材料是釷鎢電極(ThO2－W)，這種電極具有電子發射性能好、耐蒸發的優點，但具有放射性。Uetsuki等研究了可取代釷鎢電極的兩種方案:2%Nd2O3－W，2%Sm2O3－W。采用這兩種電極的半導體曬版用超高壓汞燈老煉至200 h時，燈電壓上升小于釷鎢電極，紫外輸出維持率高，表明電極材料蒸發得到了抑制。電極尖端的照片也顯示200 h后電極尖端仍較完整［16］。

除了Hg和金屬鹵化物，He等提出可添加適量CeO2作為O2發生源，因 CeO2+Al2O3→ CeAl11O18+1/2 O2。產生的O2能促進管壁處的鹵鎢循環，帶走管壁上沉積的W，從而提高流明維持率。但是產生的O2的量需嚴格控制［17］。

將電弧管封裝進外泡殼前，需要在固定電弧管的支架上點焊消氣片，用于在燈工作時吸收殘留的或工藝引入的雜質氣體，以確保外泡殼內的真空度。Corazza等開發了Zr－Fe－Y合金消氣片，通過跟蹤燈啟動0～30 min外泡殼內殘余氣體壓強的變化，發現Zr－Fe－Y消氣片的吸氣本領強于傳統的Zr－Al合金消氣片。同時，他們還開發了Zr－Co－Re合金消氣片，并結合Zr－Fe－Y消氣片良好的吸氣特點，研制了更小巧的消氣片，可用于小型光源，對出射光的遮擋大為減少［18］。

2.4 驅動與控制

高強度放電燈 (HID)作為氣體放電光源，其驅動與控制十分復雜:啟動時，需要瞬時的高電壓(脈沖)擊穿氣體，產生放電;啟動后，又需要控制燈的電流，使其穩定工作。前者是觸發器的作用，后者是鎮流器的作用。近年來，電子鎮流器的廣泛應用，將啟動和鎮流的功能整合在一起，不僅減小了器件體積，更提高了功率因數，節約電能。

Lester等總結了熒光燈、HID及LED的驅動器及鎮流器，重點討論了每一種光源的特點及其對驅動器、鎮流器的要求［19］。他把HID鎮流器分為三種類型［19］:第一種類型含全橋/半橋共振逆變器，可采用外部觸發器或一體化觸發器，見圖5(a，b);第二種類型帶有非對稱橋式共振逆變器，見圖5(c);第三種類型使用受控電流源產生低頻方波交流電流，見圖5(d)。對于HID光源，其驅動器和鎮流器的關鍵是:(1)提供足夠的高壓產生放電;(2)選擇合適的工作頻率，避免聲共振。這說明要做好HID光源的驅動和控制，必須研究其啟動特性和頻率特性。

圖5 三種類型的電子鎮流器結構［19］.(a)帶外部觸發器的半橋/全橋共振逆變器; (b)帶一體化共振觸發器的半橋/全橋共振逆變器;(c)帶一體化共振觸發器的非對稱橋式共振逆變器;(d)帶外部觸發器的方波電流源。

關于HID光源的啟動特性，Sato等指出啟動電壓的脈沖越寬，擊穿電壓越低。同時，通過模型計算充氣壓8 atm的氙燈在寬、窄脈沖下的擊穿電壓，驗證了上述結論［20］。Tant等研究了用緩慢增長的直流電壓點燈時金鹵燈的擊穿電壓，得到了不同直流偏置電壓下擊穿電壓的分布區間［21］。Sobota等研究了交流點燈時的擊穿特性，通過ICCD成像技術，測量了兩個特征量——統計延遲時間 (statistical lag time)和形成延遲時間 (formative lag time)，結果顯示，前者可達0.15 s，比后者至少大兩個數量級［22］。此外，Estupinan等通過放電腔實驗驗證了HI濃度增加 (達ppm量級)時擊穿電壓上升，同時通過對Xe和HI混合氣體進行的計算模擬定量驗證了實驗結果［23］。

關于HID光源的頻率特性，van Erk等比較了Sc－Na金鹵燈超高頻工作相比低頻工作的優點，指出超高頻工作的金鹵燈流明維持特性改善，原因主要在于:(1)高頻下，電場換向快，電弧管支架發射的電子來不及經過充有N2的空間到達電弧管外壁，電弧管上的電子流通量減少，使Na損失減少;(2)交流工作下，陰極加熱時為點附著，冷卻時卻為擴散附著，長時間下，這一加熱模式的不對稱性會損壞電極的尖端結構。而高頻下該效應不存在［24］。

聲共振也是HID光源在高頻下出現的一大難題。Kaiser等總結了探測聲共振現象的三種方法:聲發射測量，電參數測量 (電壓、電流、功率等)，以及電弧位移和擾動的光學探測。他們綜合應用了這三種方法，探測了70 W高壓鈉燈在3.8～4.4 kHz頻率范圍內的聲共振情況。結果發現，3.9～4.1 kHz范圍內，燈功率和阻抗有明顯上升，電弧彎曲;而聲強探測卻在4.2～4.4 kHz范圍內增強［25］。

改進鎮流器對燈的控制模式，也能提高鎮流器的控制質量。Chen等提出燈啟動后，通過跟蹤儲存在電弧中的能量E，可進行更好地光輸出水平控制。這種控制方法與跟蹤燈電壓的控制方法相比，更能抗電壓的波動。E可以度量燈的熱慣性 (thermal mass)，而燈功率越大，熱慣性越大。所以燈啟動后其功率可由其熱慣性確定，并能根據相對光效－熱慣性曲線進行光控制。由此制成的鎮流器可以匹配不同功率的燈，并有很好的光控制水平［26］。

2.5 診斷

對HID進行診斷的目的在于深入了解相關機理，以優化各項制燈工藝，指導研究與生產。HID診斷主要有兩個范疇:一是通過各種成像技術獲得斷面的影像，如通過PCA斷面可了解腐蝕程度;二是通過光譜進行“非接觸”式診斷，以獲取等離子體及相關成分的信息 (粒子濃度、電弧溫度等)。

陶瓷金鹵燈中，金屬鹵化物鹽與陶瓷管壁、與焊料的腐蝕情況是影響其性能和壽命的重要因素。要診斷腐蝕程度，X光透射成像可進行定性分析，掃描電鏡 (SEM)可進行定量分析。Takahara等應用X光透射影像分析了無汞金鹵燈毛細管處的腐蝕深度，指出腐蝕深度與電極結構的螺旋直徑及電極桿的伸出長度有關，即與電極的溫度分布有關［27］。Ramaiah等通過掃描電鏡 (SEM)診斷了陶瓷金鹵燈電極封接不同位置處鹵化物滲入焊料的程度，并給出了計算滲透率的經驗公式［28］。Gielen等通過SEM診斷驗證了陶瓷金鹵燈中存在著兩個可逆反應:

這兩個反應將 Al2O3從熱端向冷端輸運［29］。Toth等通過SEM和二次離子質譜 (SIMS)診斷了Al2O3表面覆蓋的W層，從而可分析W的附著造成的光通量的下降［30］。Motomura指出，用于汽車前照燈的無汞金鹵燈在豎直燃點時電弧不對稱，不能通過Abel轉換獲得光強的空間分布。他們應用X光斷層攝影術 (tomography)獲得了電極附近和電弧中央處層斷面上的光強分布，發現Sc電弧收縮，Na電弧擴散。

光譜診斷能獲得等離子體的參數。Westermeier等應用UHP燈作為寬帶連續譜光源，用吸收法測量了YAG陶瓷金鹵燈中Dy原子的濃度。通過Dy共振線的吸收輪廓確定Dy原子基態濃度;通過測量光性薄Dy線的發射系數，確定Dy原子的激發態濃度;通過以上兩者推斷等離子體溫度［31］。Curry等在300～1350 K溫度范圍內，通過X光感應熒光(XIF) 測得了 DyI3，DyI3－InI，TmI3和 TmI3－TlI體系中金屬和碘化物的蒸氣壓［32］。

2.6 加速壽命測試與標準化探索

進行HID測試主要為了獲得光源的一些宏觀性能指標，如光參數 (光通量、光效)，色參數 (顯色指數、色溫、色坐標)和電參數 (電壓、電流、功率)等。這些測試本身很容易進行，但重要的是如何用一個統一的標準來衡量不同品牌和型號的光源在不同的測試環境下得到的測試結果。光源基本光、色、電參數的測試及標準可以由企業、國家及國際組織設定的標準進行統一衡量。但是HID壽命的測試并非易事，原因在于HID光源的壽命一般＞10 kh，而采用加速測試 (如過功率等)使得燈的工作狀態發生復雜的變化，無法由加速壽命推測正常燃點的壽命。

近年來對HID加速測試的方法也進行了諸多研究。Yang等通過20 min開/20 min關實驗加速測試2 kh時陶瓷金鹵燈的結構及光學特性［33］。Itoh等在液氮環境中，以2 min開/3 min關的方式，延長輝光放電時間，進一步加劇燈的損耗［34］。但這些方法只是單純靠頻繁開/關光源加劇電極損耗和管壁黑化，并沒有對應到實際的點燈時間。Gibson通過三種方法推測燈的壽命［35］:

(1)失效分布預測。中功率陶瓷金鹵燈的Weibull分布Ft=1 －exp［－(t/α)β］，其中α 為比例因子，β為形狀因子。根據該分布，燈的平均額定壽命 (50%的燈失效的時間)可估計為t50%=n1/βT .

(2)加速測試:以20%～70%過功率點燈，確定加速因子隨功率和型號的變化。

(3)虛擬失效分析:以其他性能參數作為指標分析失效，如一定的管壓增量。

除了HID光源的壽命測試，Francios等提出了相應指標，來表示HID光源顏色穩定性隨時間的變化［36］。

2.7 理論模型

除了從實驗上對陶瓷金鹵燈進行相關的診斷和測量，還可以根據理論模型計算相關參數，來預測實驗結果，指導現有產品的改進以及新產品的研究開發。

vander Mullen將PLASIMO工具包用于描述HID燈中等離子體的狀態，構建了含NaI和DyI3的金鹵燈模型。該模型的輸入參數包括:填充的化學成分、驅動功率、電弧管形狀;輸出參數為等離子體特性:燈電壓、熱與輻射的產生、燈內物質分布、溫度分布、速率和壓強。模型計算的結果通過國際空間站微重力實驗和地面離心機超重力實驗所驗證［37］。

Babaeva等通過nonPDPSIM等離子體模型研究了擊穿特性與電壓上升時間、極性及等離子體成分的關系。研究了含Xe/NaI/ScI3/ZnI2無汞系統的熱力學特性。結果發現，內管壁上沉積的鹽層會通過等離子體流，這由電導性質決定［38］。

3 國內陶瓷金鹵燈技術進展

經過幾年的攻關，國產陶瓷管技術獲得了很大的進步，代表性的技術有潮州三環、中科院上海硅酸鹽所、上海亞明和沈陽玻璃研究院。電弧管和整燈技術的代表企業有上海亞明、廣東雪萊特和海寧新光陽。

與國外先進水平相比，國產陶瓷金鹵燈制造企業的差距主要體現在:(1)高品質陶瓷管的大規模制造能力;(2)電極封接核心專利;(3)填充藥丸優化，減少熔鹽對陶瓷管壁的腐蝕;(4)在燈參數方面，國外先進水平已達到光效100～130 lm/W，壽命20 kh;而國內是光效80～100 lm/W，壽命15 kh.

亞明公司與復旦大學電光源研究所合作，承擔了上海市科委的科技攻關項目，完成了年產100萬只小功率陶瓷金鹵燈生產線的建設，掌握了規?；a的關鍵工藝技術和對應的關鍵材料配方，優化了產品結構的設計。產品功率有20，35，70，150 W四種，色溫有3000 K和4000 K，燈頭型式有G8.5和G12.圖6為典型陶瓷金鹵燈的照片，燈的結構主要由陶瓷放電管、支架電引線、外泡殼和燈頭組成。

圖6 亞明陶瓷金鹵燈照片

研發過程中解決的關鍵問題有: (1)采用Dy2O3－Al2O3－SiO2焊料體系，解決了鈮、焊料玻璃與陶瓷毛細管形成氣密性封接;(2)控制了滲漏和焊料腐蝕問題;(3)在電弧管中充入放射性氣體85Kr解決啟動問題。研發中采用的檢測和診斷手段有X光透視、紅外熱成像、X光斷層掃描和SEM掃描電鏡等，如圖7～10所示，這對找出問題、優化設計起到了重要的作用。

國標《GB/T 24458－2009陶瓷金屬鹵化物燈性能要求》規定［39］，功率20，35，70，150 W，色溫3000，4000 K的陶瓷金鹵燈的參數要求如表1所示。亞明陶瓷金鹵燈的參數如表2所示，其中光通維持率為自測數據。比較表1和2，可以看出亞明的4種小功率陶瓷金鹵燈的電壓、電流、功率和色溫符合國標的要求，光效、顯色指數和2 kh光通維持率高于國標規定值。其中70 W燈的光效高5%，顯色指數高10%，2 kh光通維持率高13%.這說明亞明陶瓷金鹵燈達到了較高的水平。

圖7 X光透視焊料的深度和缺陷

圖8 紅外熱成像檢測電弧管溫度分布

圖9 X光斷層掃描觀察到封接處的氣泡分布

圖10 焊料蝕坑SEM圖像

表1 國標規定的陶瓷金鹵燈的參數

表2 亞明陶瓷金鹵燈的第三方測試參數

總體而言，國產陶瓷金鹵燈還需要繼續優化設計，改進工藝水平。

4 陶瓷金鹵燈技術展望

陶瓷金鹵燈能提供高光效、高顯色性、長壽命的照明，同時其小體積適合各種配光方式，是未來氣體放電光源的主要發展方向。在室內照明中，小功率陶瓷金鹵燈可與鹵鎢燈競爭，用于重點照明和高顯色照明;在道路照明和隧道照明中，中功率陶瓷金鹵燈可與高壓鈉燈競爭，其白光照明可提高小目標的分辯能力。國外全面深入的研究推動了陶瓷金鹵燈的技術進步。隨著各種產品的開發，國內陶瓷金鹵燈的技術水平逐漸向國際先進水平靠攏，但還欠缺深入的研究，需要著力加強。

非飽和陶瓷金鹵燈光效更高，壽命期間顏色一致性更好，但陶瓷管和封接的技術難度大，應設法開展研究開發。無汞陶瓷金鹵燈既能達到含汞陶瓷金鹵燈的性能，又消除了汞污染，是未來HID光源的發展方向。但高濃度的稀土鹵化物對陶瓷管的腐蝕加劇，需要加強基礎研究，解決陶瓷管的腐蝕問題。

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