陶瓷金卤灯

陶瓷金卤灯是一种比较先进光源，寿命长，光效高、显色性好的新型节能光源。和LVD无极灯性能相似，只是发光源理不同。

发光原理

金属卤化物灯(金卤灯)主要依靠金属卤化物作为发光材料，金属卤化物以固体形态存在灯内。因此，灯内必须充有少量的引燃气体氢或氙，以便点燃灯泡。灯点燃后，首先工作在低气压弧光放电状态，此时灯两极电压很低，约18～20V，光输出也很少，这时主要产生热能，使整个灯体加热，引入灯中的金属卤化物随温度升高不断蒸发，成为金属卤化物蒸气，在热对流的作用下，不断向电弧中心流动，一部分金属卤化物被电弧5500～6000K高温分解，成为金属原子和卤素原子，在电场的作用下，金属原子被激发发光；另一部分金属卤化物不被电弧高温所分解，在高温和电场双重作用下，直接激发形成分子发光。

由于各种金属卤化物蒸发温度不同，因此，这些粒子陆续蒸发参与发光，所以有不同的原子光谱相继出现，随着温度的逐渐升高，电弧中金属原子密度逐渐增加，产生共振吸收，原子特征光谱逐渐减弱直至消失，并向长波段扩展，由于灯温进一步提高并建立热平衡，于是全部金属卤化物蒸发，分子光谱随之出现，光色及亮度也趋于稳定，灯内气压可达几十个大气压，灯内电弧由低压弧光放电转为高压弧光放电，灯两端电压由18～20V上升并逐渐稳定到100V左右，进入正常发光状态。

概述

陶瓷金卤灯受到照明业界的十分重视并非偶然，经过十余年的实践考验，其高超性能如高光效、高显色和长寿命已为人们所认同。虽然市售陶瓷金卤灯中即使最著名品牌也出现不少瑕疵，但这并不能掩盖其优点。陶瓷金卤灯的应用正在各个领域开拓和普及，相应的各种与专用功能相适应的灯型结构正在不断开发，无论生产或是应用在我国必有大的突破。

陶瓷金卤灯的开发和应用在我国起步较晚，一则是由于这是一种高技术被垄断的产品、产量不多、售价奇贵，人们常常不敢问津。由于这种灯生产技术要求很高、装备复杂昂贵、投资巨大也使很多投资者望而却步，这些因素延缓了陶瓷金卤灯在我国的发展。

陶瓷金卤灯在欧美已逐步普及，我国的应用也开始扩大，很多照明界的科技人员和企业家已把注意力集中到这一产品上。然而由于这确实是一种技术难度很大的产品，与我国当前的技术与装备水平有较大差距，对原辅材料和工艺的了解不多，一些开拓者也常常只是套用高压钠灯装备、材料和技术来制造陶瓷金卤灯，因而其产品的性能参数和寿命很难达到应有水平。

事实上不只我国企业，甚至某些最著名的大型跨国公司的产品也仍存在不少问题、甚至严重质量问题，由此可以说明其质量与技术确实不易掌控。

基本简介

陶瓷金卤灯是多晶氧化铝陶瓷制造电弧管管壳，这种陶瓷是一种半透明材料，其实他的透光率高达96～98%，超过玻璃和石英，但由于直线透光率不超过30%，所以就成了半透明了。这种陶瓷材料能承受比石英高200℃以上的高温，制成电弧管后正常运转温度可以高达1200℃，加以其导热率较高，电弧管本身温度分布较为均匀，即使冷端也在900℃以上，因此充入其中的金属卤化物能充分蒸发，这是陶瓷金卤灯的光效和显色指数高而稳定的原因。陶瓷泡壳的热稳定性和化学稳定性很高，与充入电弧管的材料不发生化学反应，又不存在钠渗漏问题，因此灯性能稳定、光衰小、寿命长.

经过20年的研发和改进，灯的基本结构已经定型，虽然专利繁多结构也略有差异，但基本是中央为一个较大的电弧管管体和二端对称设置一对支托电极的袖管（图1）。其管体存在二种基本结构，即圆柱形（a）和球形（椭球或类似球形）泡壳（b），前者为飞利浦和GE的专利，他采用的是五件或三件装配结构，后者为整体球形一体化结构（b),光大鲍迪克的专利，欧司朗使用的则是中间有接缝的二件组装球形结构(c)，此外还有多种圆柱状的二件及三件组装结构的电弧管（d）.

整体球形一体化结构陶瓷管

多件组装电弧管壳是利用烧结时外套件收缩率大而使各组件紧箍在一起，并在交界面晶粒相互交错生长而结成一体的。但如材料、工艺及烧结温度等略有偏移则结合部可能产生气线、气泡，制成灯后难以承受运转时反复的热冲击而导致放气漏气或炸裂。整体结构泡壳虽然成型较为复杂，但具有较好的质量保证。

陶瓷金卤灯的另一结构上的特点是电极，GE、飞利浦的电极结构示如图2。

其结构是在铌杆前端为一绕有钼螺旋的较细钼杆，钼杆前端则为一段更细的钍钨丝杆，其前端绕有数圈钨丝。此种结构的电极直径较粗能填满电弧管的袖管，但又有相当柔性，不致因温度变化而给陶瓷袖管过大应力使之撑裂；这种电极有足够好的电导率，而热阻较大，从电极尖端或电极引线传向陶瓷袖管的热量较少，不致引起过高升温而影响封接可靠性。

上述电极结构虽然十分巧妙可靠但制造复杂，而且在电极与陶瓷袖管之间存在较大空隙，运转时大量金属卤化物渗入并沉积其中，影响灯参数如灯压降、光通量、色温和显色指数的稳定性。

主要参数

几种有关光源的主要参数示如表1，从陶瓷金卤灯的主要参数可以看出陶瓷金卤灯是一种性能优越的灯种，由于它的高显色性和较低的色温使之成为唯一的可以替代白炽灯和卤素灯的灯种。欧美家庭现在仍然大量采用无紫外、低色温、高显色的白炽灯，而该地区国家已公布2012年将全面禁止使用白炽灯，所以在这一方面小功率陶瓷金卤灯将会有极为广阔的市场。

表1-几种有关光源的参数

灯参数

灯种

光效(lm/W)

显色指数(Ra)

功率(W)

色温(K)

寿命(hr)

透雨雾能力

参数漂移

照明领域

lvd无极灯

80

>80

15~400

2700~6500

100000

强

小

室内外

CMH

90~120

85~95

15~400

>2800

12000

强

较小

室内外

QMH

60~90

60~90

50~2000

4000~6000

6000~8000

弱

较大

室内外

HPS

80~120

<30

50~2000

<3000

12000

强

小

室外

LED

80-120

<70

<10

3000-7000

50000

弱

小

室内外

由于陶瓷金卤灯的壁负荷、运转温度均高于石英金卤灯，运转时紫外辐射较强，因此必须采用能吸收紫外线的石英或玻璃材料作外罩壳。外罩壳的另一个非常重要的作用是保温，由于陶瓷电弧管材料的热导率很高，电弧管温度分布均匀，壁温度很高且壁内外温度差较小。如将电弧管裸露在大气中运转则上升气流将带走大量热量，使电弧管温度下降200℃左右，使电弧管的正常运转条件破坏，灯参数大幅下降，其优越性能完全丧失，给出了实际测量的裸电弧管及整灯的表面温度分布。

表2- 39W 陶瓷金卤灯电弧管光电参数测试结果

点灯状态

冷端温度（℃）

电弧管压降（V）

灯功率（W）

光通量（lm）

光效（lm/w）

色温（Tc）

显色指数（Ra）

竖直

793

54.3

38

2731

71.9

4996

47.9

水平

835

54.3

38

2807

73.9

4830

50.6

表3- 39W 陶瓷金卤灯成品灯光电参数测试结果（与表2为同一电弧管）

质量关键

在陶瓷金卤灯的实际工作条件下，灯中电弧温度高达6000K，而管壁温度达1500K，工作气氛在20个大气压以上。点灯时含有大量金属卤化物分子、金属原子以及强腐蚀性的卤素原子的高温气流 不断冲刷电弧管内壁，即使高度稳定的陶瓷壳也难以承受。表明了某著名公司的品牌产品在使用数千小时后的陶瓷壳壁内表面晶界因腐蚀而产生的沟槽及子晶表面蚀洞，该图所示情况还是好的案例。国内一些陶瓷泡壳研制单位采用国产材料并完全按照高压钠灯的配方和工艺制作陶瓷金卤灯泡壳，这是一个原则性错误。高压钠灯陶瓷管的材料配方是为抵御碱性气体的腐蚀而设计的，用这种配方制造陶瓷金卤灯泡壳必然难以抵御高温、强腐蚀酸性气流的冲刷，结果不但污染灯中气氛造成光衰、发黑等现象，同时还削弱管壳的强度，在使用过程中灯色温较大的改变，电弧管漏气和炸裂自然也就可以找到 原因了，原材料纯度将直接影响到陶瓷的子晶的结构和性能，其中特别是Fe、Ca、Mg、Si、Na等的含量必须予以控制，因为这些杂质含量超标时将破坏Al2O3陶瓷的六方晶系的正常生长，影响陶瓷的透光率和强度。超纯并且杂质含量、粒径和粉粒形状均符合要求且受到控制的Al2O3粉体是制成好的陶瓷泡壳必不可少的前提。目前国产陶瓷粉的问题是厂家给出的成份与实际差异很大，他们给出的杂质含量往往比相近牌号进口粉还少得多，而实际恰恰相反。国产粉料的形态均呈絮状而非颗粒形，调配时分散性很差，用这样的粉很难制成质地均匀、透明度高的多晶氧化铝陶瓷壳，其晶粒尺寸亦难控制。

除了杂质含量和粒径符合要求的超纯氧化铝外，严格定量的用以控制晶粒生长和抗酸性腐蚀的各种掺杂添加材料也是十分重要的，否则晶粒过分长大将导致陶瓷机械强度大幅下降。正常情况下陶瓷晶粒尺寸要求均匀并以20-30μm为佳，这既能保证有足够机械强度、透光率也好。当陶瓷晶粒生长到数百微米即接近于陶瓷管壁厚度时其机械强度将大幅度降低，这样的陶瓷管壳是不能用的。合适的工艺装备是制造陶瓷泡壳的又一难点，各公司均有自己的工艺和方法，但不外等静压法、挤压法、压铸法、注浆法、热等静压法等。这涉及到大量技术机密问题，没有任何公司公开他们的方法细节。

陶瓷的整个烧制过程是十分重要的，这决定了陶瓷的结晶形态、晶粒大小以及其中的微气泡含量。众所周知，多晶氧化铝陶瓷中的微气孔将引起光的散射和损失，并影响光的透过率特别是直线透过率。烧制不良的产品中会出现大量微气泡，微气孔较多时直观的陶瓷透明度将明显下降，当然这时光的总透过率也将相应降低。

陶瓷金卤灯以其优异性能和高技术含量而为人重视，其高昂的价格更使得人们认为此种光源只适用于高级商业照明，如豪华酒店、宾馆、高档服装专卖店、珠宝首饰店、高级会议厅等。但是随着人们对事物认识的展宽和加深，很多观点在迅速变化，陶瓷金卤灯的应用领域也在不断拓展。

五、结论

无庸置疑，陶瓷金卤灯和LVD无极灯一样，是现今性能比较优异、性价比较高的新型光源，其优异性能使之以比当前所有光源更佳的效果、取代该种光源而应用于几乎所有场合，并在节能减排和营造更宜人的光环境方面作出巨大贡献。

大力开发推广陶瓷金卤灯的生产和应用应成为当前努力的重点，有关政府部门及相关企业事业单位亦宜以此为重点组织有关力量进行配套推广，这样可以使得陶瓷金卤灯的生产迅速扩大、成本下降，从而更有利于推广普及，对我国的节能减排作出更大贡献。

优缺点

陶瓷金卤灯的最大优点是发光效率特别高，光效高达80～90Lm/W，正常发光时发热少，因此是一种冷光源。由于金属卤化物灯的光谱是在连续光谱的基础上迭加了密集的线状光谱，故显色指数特别高，即彩色还原性特别好，可达90[%]。另外，金属卤化物灯的色温高，可达5000～6000K，专用投影机灯可达7000～8000K。在同等亮度条件下，色温越高，人眼感觉越亮。

金属卤化物灯因亮度高、体积小，故相对寿命较短，由于材料、工艺的限制，金属卤化物灯的另一个缺点是启动困难，必须用专门的触发器。启动后亮度系逐渐增加，如果启动能量过大，启动速度过快，会影响灯泡寿命，在电路设计时应充分考虑。

发展设计

概述

经过20年的发展，陶瓷金卤灯技术已经成熟，质量臻于完善。实践证明陶瓷金卤灯是一种高性能商用照明光源，其光效(110～120lm/W)和寿命(12000小时)堪与高压钠灯相匹，而其显色指数则达90或95以上，接近卤素灯和白炽灯的水平。由于不存在钠渗漏问题，其色温可以降低到3000K或以下，与白炽灯、卤素灯相近。其色温及光色的一致性好、漂移小、远非石英金卤灯能比。陶瓷金卤灯一系列优异性能使之广泛用于几乎一切照明领域。随着生产技术成熟、产量加大、价格亦开始降低，普及之势正在全球发展，很多制灯企业及技术人员均欲一试身手，但很多投资者在启动以后发现并不如预想，产品质量很难掌控，成品率过低，成本回收困难，不乏知难而退、中途停止的。

陶瓷金卤灯是一种高技术产品，灯用材料、制灯装备、制灯工艺、电弧管结构设计、操作技能等所有环节对做好陶瓷金卤灯无一不具有十分重要的意义，任一环节稍有疏漏均将功败垂成。

陶瓷泡壳是产品质量的关键

陶瓷金卤灯与石英金卤灯的差别只在于将后者的石英电弧管壳更换为半透明陶瓷(又称多晶氧化铝)泡壳，当然采用陶瓷泡壳后其制灯工艺将完全改变。陶瓷泡壳的采用使得灯运转时电弧管管壳温度提高约300K，泡壳冷端温度大幅上升，灯中的金属卤化物更充分蒸发，因此光效和显色性大幅提升。成份、烧制工艺合适的氧化铝陶瓷是一种十分稳定的材料，且不存在钠渗漏问题，因此可以将陶瓷金卤灯制成低色温(<3000K)灯，而且色漂移很小、寿命很长。