具有膨脹式反應黏合氧化鋁件的陶瓷放電管的製作方法

2023-05-12 14:39:46

專利名稱：具有膨脹式反應黏合氧化鋁件的陶瓷放電管的製作方法
技術領域：
本發明涉及陶瓷放電管，尤其涉及用於高照度放電應用的包括藍寶石管主體的放電管。
背景技術：
陶瓷放電管通常用於諸如高壓鈉燈(HPS)、高壓水銀燈及金屬滷化物燈的高照度放電(HID)燈。這些放電管典型地由多個陶瓷件形成，該多個陶瓷件共同燒結以在未使用熔塊材料的部件之間形成密封。該技術依賴於陶瓷件的差異收縮以在該部件之間產生幹涉配合。儘管諸如藍寶石、釔鋁石榴石、氮化鋁及氮氧鋁的其它陶瓷也可以使用，用於HID燈應用的優選陶瓷是多晶氧化鋁(PCA)。
除了受限於由晶體生長技術所限定的直型之外，藍寶石是優良的透明陶瓷材料。通常由EFG(邊緣限定矽膜生長)方法生長的單晶體藍寶石管對陶瓷金屬滷化物燈有用。然而，因PCA對PCA的密封依賴於PCA部件的差異收縮，該技術不能正常應用在藍寶石對PCA的密封，這是因為藍寶石管在PCA部件燒結時不收縮。作為一個解決方案，最近一些用於低功率、汽車應用的陶瓷放電管的設計使用了與藍寶石管端部套配的PCA帽。例如，可參見國際專利申請號WO99/41761。PCA帽在燒結時在藍寶石管端部的周圍收縮以與該管的外表面產生密封。然而，PCA帽的高熱容導致了從PCA帽表面通過輻射產生的高熱損耗，並引起嚴重的能導致高破裂率的熱應力。另外，藍寶石-PCA構造的成本與競爭技術比較相對較高。不幸地，具有熔塊密封的PCA塞的藍寶石管不是合適的備選物，這是因為以這種構造類型的熔塊非常接近於較高溫度區域，並且因此會被腐蝕性金屬滷化物填充物更快速地攻擊，該填充物可導致燈更早地失效。

發明內容
反應黏合氧化鋁(RBAO)是具有低(＜1％)尺寸收縮的陶瓷材料的相對新種類。RBAO相對於傳統的氧化鋁的燒結是新的，因為其在加熱期間在壓縮主體內同時發生反應和燒結。製造堅固的RBAO主體的方法開始於在約1200℃到約1550℃進行熱處理的鋁金屬和氧化鋁粉末的磨碎混合物的坯塊。典型地，希望因鋁金屬和氧化鋁的反應的膨脹和該氧化鋁的燒結的收縮接近平衡。
然而，與先前的RBAO的應用不同，本發明涉及將該RBAO引入一個範圍，其中在加熱時密實化伴隨著小的膨脹形成。該RBAO部件的膨脹用於在陶瓷部件之間產生密封。實際上，該RBAO部分對著壓縮表面隆起並密封。這可以認為是不同於用於PCA的差異收縮方法。
由於該RBAO在燒結時膨脹，其可能用RBAO塞插入在藍寶石管內以密封該管的端部並因此減少對外部PCA帽的使用。此構造應產生更好的熱剖面、低應力和高生存性。儘管內部密封塞構造是優選的，不限於使用膨脹式RBAO以在該弧形管內形成內部密封。例如，也可能在該帽構造中使用膨脹式RBAO，藉此在燒結時該RBAO的膨脹導致該帽在該管的外表面壓縮從而形成外部密封。這樣，在陶瓷放電管的製造中，對用於產生密封的膨脹式RBAO的使用允許有更多的靈活性。
所以，根據本發明的一個方面，提供了包括陶瓷主體和至少一個與該陶瓷主體密封的膨脹式反應黏合氧化鋁件的陶瓷放電管。
根據本發明的另一個方面，提供了在陶瓷放電管中形成密封的方法，該方法包括(a)形成陶瓷主體；(b)通過壓縮鋁金屬和氧化鋁粉末形成處於生坯狀態的反應黏合氧化鋁件；(c)裝配該陶瓷主體和該處於生坯狀態的反應黏合氧化鋁件，以形成組合體；和(d)反應燒結該組合體以使該反應黏合氧化鋁件膨脹並與該陶瓷主體形成密封。


圖1是根據本發明的用於無電極燈的陶瓷放電管的剖面圖；圖2是根據本發明的環形密封件的圖示；圖3是根據本發明的結合了圖2的環形密封件的五件式陶瓷放電管的剖面圖；圖4是根據本發明的三件式陶瓷放電管的剖面圖，其中該密封件具有一體式的毛細管；圖5是圖1所示的陶瓷放電管的備選實施例的剖面圖；圖6是根據本發明的用於HPS照明應用的陶瓷放電管的剖面圖；圖7是圖6所示的陶瓷放電管的備選實施例的剖面圖；和圖8是根據本發明的具有膨脹式反應黏合氧化鋁毛細管的陶瓷放電管的剖面圖。
具體實施例方式
為了更好地理解本發明以及其它的和進一步的目的、優點及其性能，結合上述的圖示對以下的內容和所附的權利要求做了說明。
在完成用於RBAO陶瓷的反應黏合周期後，用於總尺寸變化(S)的普通方程式為以下的方程式(1)(1)S＝[(1+∑υiVi)(ρ0/ρ)/(1+0.28fVAl)]1/3-1其中，υi是與相應的氧化物(例如，υAl＝0.28，υZr＝0.49，υTi＝0.76，υCr＝1.02)相關的體積膨脹，Vi是金屬(包括VAl)或加入最初粉末混合物中的陶瓷相的體積分數，f是Al在粉碎時的氧化分數，ρ0和ρ分別是生坯時和最後的密度。方程式(1)表明了Al的較高體積分數和高的生坯時的密度可以在對Al/Al2O3坯塊燒結時產出最終的膨脹(而非收縮)。典型地，約1-4％的體積膨脹發生在～700℃，這是由於Al相的融化。當此膨脹發生時，理論上該融化的Al金屬會從Al/Al2O3部件伸展而填充部件間的間隔，以通過進一步的反應燒結形成密封。
圖1是根據本發明的用於無電極燈的陶瓷放電管的剖面圖。放電管2具有管狀主體3和密封件7，其共同限定放電腔12。管狀主體3由優選為半透明PCA或藍寶石的陶瓷材料組成。密封件7由膨脹式RBAO塞組成。放電管的另一個實施例如圖5所示。此處，凹槽43製作在放電管2′的管狀主體3′的端部，以接收密封件7。凹槽43的邊緣45限制密封件7的插入深度，從而提供了更精確的定位。
在優選的製造方法中，使處於生坯狀態的密封件7插入PCA或藍寶石管的端部並通過反應燒結膨脹。因RBAO塞的直徑在反應燒結時膨脹，隨著對管狀主體3的內表面5的壓縮產生了幹涉配合，且在管狀主體3和密封件7之間形成了密封。就PCA而言，PCA管可能先於和RBAO塞結合而完全燒結，而在這樣的情況下，當對RBAO部件燒結時只可能產生PCA管最小的收縮，或者PCA管只可能進行預燒，而在這樣的情況下，PCA管將收縮，這是因為RBAO部件在反應燒結步驟中膨脹。在後一情況下，氧化鋁管在與生坯的RBAO部件結合前在850℃到1350℃進行預燒。組合的部件然後在低於1350℃的溫度反應燒結，以將部件至少部分地連接，且然後在約1850℃的更高溫度，在氫氣、氮氫混合氣體或真空條件下燒結，以增加透射比並完成密封。燒結-HIP(熱等靜壓)過程還可用於產生高透射比，該過程將組合件燒結到隨後是HIP的封閉內孔階段。
圖3是五件式陶瓷放電管的剖面圖。在該實施例中，放電管21具有管狀主體3並由環形密封件20(單獨顯示於圖2)密封。環形密封件20具有用於接收毛細管25的孔23。毛細管25具有適合於接收電極組件(圖未示)的內孔29。毛細管25優選由在插入生坯的RBAO密封件前已至少進行預燒且更優選地進行完全燒結的PCA組成。因RBAO密封件在燒結時膨脹，在環形密封件20的圓柱外表面31和管狀主體3的內表面5之間並在孔23的圓柱表面35和毛細管25的外表面27之間進行幹涉配合，從而形成密封。在圖4所示的備選實施例中，環形密封件20′和毛細管25′製造成為由膨脹式RBAO組成的一體件。
關於如圖3和圖4所示的放電管，金屬滷化物填充材料可以在陶瓷部件間形成密封后插入放電腔12內。典型的金屬滷化物填充材料包括水銀加上諸如Nal、Cal2、Dyl3、Hol3、Tml3和TII的金屬滷化鹽混合物。放電腔12還可包含諸如30到300託的氙或氬緩衝氣體。還可以採用更高的填充氣體壓力，例如在20℃時1-30巴的氙。這種更高壓力對需要即時啟動的諸如汽車燈的燈是有用的。電極組件插入到各個毛細管25內以便其一端突出放電管以提供電連接。伸入放電腔內的電極組件的端部與鎢絲圈或其它類似的裝置配合，用於提供電弧放電的接觸點。電極組件通過熔塊材料(優選為Al2O3-SiO2-Dy2O3熔塊)與毛細管密封。
圖6和圖7是根據本發明的用於HPS燈的陶瓷放電管的兩個備選實施例的剖面圖。放電管50具有由PCA組成的管狀主體53。由膨脹式RBAO組成的環形塞57密封在各個管狀主體53端部內，從而限定放電腔51。環形塞57內的孔59用於接收電極組件，該電極組件典型地由與鎢電極相連的鈮引線組成。鈮引線在鈉/水銀合金和緩衝氣體加入放電腔51內後以熔塊密封在孔內。在圖7中，放電管50′的環形塞57′具有對著管的端部設置的法蘭60，以對環形塞57′提供更精確的定位。
圖8本發明的進一步的實施例，其中陶瓷放電管70具有管狀主體73和毛細管77。管狀主體73可以由藍寶石或PCA組成，而毛細管77由膨脹式RBAO組成。毛細管77插入預定的深度從而限定放電腔82，且在對RBAO進行反應燒結時膨脹以與管狀主體73的內表面75形成密封。毛細管77具有用於接收電極組件的內孔79，且放電腔82可以填充前述的金屬滷化物填充物。
為了說明用於形成密封的膨脹式RBAO的性能，製作了固體RBAO塞並密封在燒結的PCA管的端部內。尤其是，將具有平均為20μm的粒子尺寸(Johnson-Matthey)的鋁金屬粉末以30、40、50和60的體積百分比(vol％)的量與氧化鋁粉末(來自Baikowski的CR6或CR1)混合。具有6m2/g的表面面積的CR6氧化鋁粉末因其可燒結性而成為優選。更精細的鋁粉末是可用的，但是亞微細粒的鋁粉末因可能發生自燃而需要特別預防。對於大於1μm的鋁粉末，可以接受在周圍溫度下在空氣中處理。鋁金屬體積容量可以在10到70體積百分比的範圍內，且優選為從50到60的體積百分比。當鋁金屬容量較高(＞60vol％)時，壓縮部件趨於變軟及變脆，這使得處理更加困難。使用5mm的ZrO2球和高密度聚乙烯瓶將Al/Al2O3混合物在甲醇中球磨2小時。因鋁金屬粉末與水反應所以用甲醇進行球磨。對球磨限定為2小時以防止吸收過多的來自媒介的ZrO2。在盤式乾燥後，粉末用研缽/研棒進行分解。以35ksi或更高對粉末進行單軸向壓縮或等靜壓(Isopressed)。因鋁金屬在壓力下變形，Al/Al2O3坯塊可能獲得理論上的60-80％的高生坯密度。如果需要，生坯塞可以加工到預定尺寸。生坯RBAO塞的直徑為4.90mm，厚度為2mm，且PCA外管的ID為4.95mm。在與外管組裝後，全部的樣品在流動空氣或氧氣下反應燒結，並使用以下的溫度周期(1)以1℃/分的速度加熱到700℃的溫度並保持在700℃的溫度24個小時；(2)繼續以1℃/分的速度加熱到1100℃的溫度並保持在1100℃的溫度24個小時；(3)繼續以1℃/分的速度加熱到1550℃的溫度並保持在1550℃的溫度24個小時；最後以30℃/分的速度冷卻到室溫。最後的保持溫度可以高於1550℃，例如1600-1900℃，以便增進完全的密實化。這依賴於開始的生坯密度和Al與Al2O3相的粒子尺寸。純淨的氧氣環境是優選的，因其可促使鋁金屬粒子快速氧化為Al2O3。溫度的慢速降低可以限制管的破裂。諸如2℃/分至5℃/分的高降溫速度導致外管的破裂，這可能是因為應力鬆弛的不足。1550℃的溫度足以形成密封主體並直接將膨脹式RBAO塞與外部氧化鋁管結合。
在反應預燒期間，RBAO塞因其直徑由4.90mm增加到5.25mm而具有0.35mm的最終膨脹，這形成了約6％的純幹涉。當使用了較高的降溫速度(5℃/分)時，外PCA管內的縱向裂紋在反應燒結周期之後顯現。膨脹式RBAO塞和外部氧化鋁管的結合長度為2mm。成功結合的管可密封為小於10-9scc/sec。
雖然本發明的優選實施例已進行了圖示及說明，但在不背離本發明的由所附權利要求限定的範圍下所做的各種變化和修改對本領域技術人員是明顯的。
權利要求
1.一種陶瓷放電管，其包括陶瓷主體和至少一個與所述陶瓷主體密封的膨脹式反應黏合氧化鋁件。
2.根據權利要求1所述的陶瓷放電管，其特徵在於，所述陶瓷主體是管，且所述膨脹式反應黏合氧化鋁件與所述管的內表面密封。
3.根據權利要求2所述的陶瓷放電管，其特徵在於，所述陶瓷主體包括多晶氧化鋁或藍寶石。
4.根據權利要求2所述的陶瓷放電管，其特徵在於，所述陶瓷主體包括藍寶石。
5.根據權利要求2所述的陶瓷放電管，其特徵在於，所述膨脹式反應黏合氧化鋁件具有孔和插入所述孔內的毛細管。
6.根據權利要求5所述的陶瓷放電管，其特徵在於，所述膨脹式反應黏合氧化鋁件和毛細管以單件式成形。
7.根據權利要求5所述的陶瓷放電管，其特徵在於，所述毛細管包括多晶氧化鋁。
8.根據權利要求1所述的陶瓷放電管，其特徵在於，所述陶瓷主體是管，且所述膨脹式反應黏合氧化鋁件定位在所述管的端部內的凹槽內。
9.根據權利要求2所述的陶瓷放電管，其特徵在於，所述膨脹式反應黏合氧化鋁件具有孔。
10.根據權利要求9所述的陶瓷放電管，其特徵在於，所述膨脹式反應黏合氧化鋁件具有對著所述管的端部設置的法蘭。
11.根據權利要求2所述的陶瓷放電管，其特徵在於，所述陶瓷主體是管，且所述膨脹式反應黏合氧化鋁件是毛細管。
12.根據權利要求11所述的陶瓷放電管，其特徵在於，所述陶瓷主體包括藍寶石。
13.根據權利要求1所述的陶瓷放電管，其特徵在於，所述陶瓷主體是管，且所述膨脹式反應黏合氧化鋁件與所述管的外表面密封。
14.一種在陶瓷放電管中形成密封的方法包括(a)形成陶瓷主體；(b)通過壓縮鋁金屬和氧化鋁粉末的混合物形成處於生坯狀態的反應黏合氧化鋁件；(c)裝配所述陶瓷主體和所述處於生坯狀態的反應黏合氧化鋁件，以形成組合體；和(d)反應燒結所述組合體以使所述反應黏合氧化鋁件膨脹並與所述陶瓷主體形成密封。
15.根據權利要求14所述的方法，其特徵在於，所述鋁金屬粉末包括所述混合物的10到70的體積百分比。
16.根據權利要求14所述的方法，其特徵在於，所述鋁金屬粉末包括所述混合物的50到60的體積百分比。
17.根據權利要求14所述的方法，其特徵在於，所述處於生坯狀態的反應黏合氧化鋁件具有60-80％的生坯密度。
18.根據權利要求14所述的方法，其特徵在於，所述陶瓷主體包括在形成所述組合體前至少已進行了預燒的多晶氧化鋁。
19.根據權利要求14所述的方法，其特徵在於，所述陶瓷主體在形成所述組合體前已進行了完全燒結。
20.根據權利要求14所述的方法，其特徵在於，所述陶瓷主體在所述組合體反應燒結時收縮。
全文摘要
提供了一種陶瓷放電管，其中該陶瓷放電管包括陶瓷主體和至少一個與該陶瓷主體密封的膨脹式反應黏合氧化鋁元件。製造該陶瓷放電管的方法包括(a)形成陶瓷主體；(b)通過壓縮鋁金屬和氧化鋁粉末的混合物形成處於生坯狀態的反應黏合氧化鋁元件；(c)裝配該陶瓷主體和該處於生坯狀態的反應黏合氧化鋁元件，以形成組合體；和(d)反應燒結該組合體以使該反應黏合氧化鋁元件膨脹並與該陶瓷主體形成密封。
文檔編號H01J9/00GK1797688SQ20051013785
公開日2006年7月5日 申請日期2005年12月28日 優先權日2004年12月28日
發明者K·京特, R·許廷格爾, W·P·拉帕託維奇, G·C·魏 申請人:奧斯蘭姆施爾凡尼亞公司