陶瓷金卤灯技术最新进展

李炜 周振民 陈佐兴 张善端

(1 复旦大学电光源研究所;先进照明技术教育部工程研究中心，上海市 200433;2 上海亚明灯泡厂有限公司，上海市 201801)

1 陶瓷金卤灯发展现状

陶瓷金卤灯电弧管的工作温度比石英金卤灯高200℃以上，具备光效高、显色性好、寿命期间色温偏差小以及寿命长等优点，是性能最高的电光源之一，作为高端产品已逐渐被市场认可。小功率陶瓷金卤灯广泛用于室内商业照明，中大功率陶瓷金卤灯逐步在道路照明中得到推广［1］。1990年代中期，飞利浦率先实现陶瓷金卤灯的产业化，之后欧司朗、通用电气、松下、岩琦等公司跟进并达成专利共享。

陶瓷金卤灯是国内气体放电光源研究开发的热点，主要目标是自主制造半透明陶瓷管，优化电弧管的电极封接和药丸成分，提高灯的光效和寿命。国内企业自2005年起开始研发陶瓷金卤灯，采用的都是毛细管封接工艺，目前已实现了量产［2－4］。亚明公司开发了陶瓷管的生产工艺和设备，克服了电极封接、陶瓷管腐蚀等难题，在国内企业中率先实现了陶瓷管、电弧管、整灯、镇流器和灯具组合的自主研发，形成了年产100万只的批量生产能力，实现了4种功率 (20，35，70，150 W)小功率陶瓷金卤灯及其配套电子镇流器新产品的产业化［5－8］。对于功率70 W色温3000 K的陶瓷金卤灯，其参数可达到:光效90 lm/W，显色指数92，8 kh光通维持率＞82%，寿命15 kh.目前国内企业正致力于180～330 W中功率陶瓷金卤灯的研发，以满足道路照明的需求。

本文主要介绍第12届国际光源科技研讨会上报道的国外陶瓷金卤灯的技术进展，以及国内在陶瓷金卤灯产业化方面的进步，指出下一步的研究方向是非饱和陶瓷金卤灯和无汞陶瓷金卤灯。

2 国外陶瓷金卤灯技术进展

2.1 非饱和陶瓷金卤灯

电弧管是决定金属卤化物灯性能优劣的最关键因素。在电弧管内部，发生着复杂的物理、化学过程，因此电弧管的工作条件直接影响其内部过程，从而影响光源的特性。由于多晶氧化铝 (PCA)陶瓷管比石英玻璃管更耐高温，陶瓷金卤灯可以在更高的温度下工作，因此其光效、显色性更高，寿命期间的颜色一致性更佳。但普通陶瓷金卤灯中金属卤化物只有部分蒸发，处于饱和蒸气压状态，以气相和液相共存。同时，由于连接钨电极的钼 (Mo)熔点有限，通常在电弧管两端毛细管内部引出电极，以使封接部位远离高温电弧区，这就在毛细管中留下了间隙 (见图1)［9］。这样，灯燃点后液相金属卤化物 (熔盐)就会进入间隙中，形成冷端，使灯的参数随冷端的变化而变化，同时液态金属卤化物也会腐蚀陶瓷管壁。

图1 普通陶瓷金卤灯的毛细管封接结构［9］

图2 用铱匹配封接的无间隙陶瓷电弧管［9］

飞利浦公司的Hendricx等发现金属铱 (Ir)不但熔点高，而且其膨胀系数与PCA匹配，还耐卤化物腐蚀，于是提出用Ir焊接钨电极，由Ir与PCA匹配封接，取消了毛细管，形成无缝隙结构 (见图2)［9］。这样，管壁温度可进一步提高 (比毛细管结构高250℃)，光源参数进一步提高;而且由于金属卤化物完全气化，处于非饱和状态，不受冷端限制，因此灯的光色一致性大大改善，冷端的腐蚀也大大减小。

非饱和陶瓷金卤灯的主要特性有［9］: (1)小尺寸，泡壳温度提高250 K(非饱和1450－1550 K，饱和1200－1300 K)，使金属卤化物完全气化;(2)光效比饱和式陶瓷金卤灯提高20%，达120 lm/W; (3)寿命期间颜色稳定 (＜3 SDCM);(4)色温、色坐标不随燃点位置变化; (5)调光时颜色稳定;(6)寿命20 kh;(7)温升快，20 s到80%光通量;(8)高显色性，可获得跟卤钨灯相近的光谱，显色指数98;(9)高管壁温度，易于实现无汞放电。

2.2 无汞陶瓷金卤灯

金卤灯药丸成分通常包括Hg和金属卤化物。其中Hg蒸发后提供足够高的蒸气压以获得高管压，金属元素辐射发光。近年随着对环保的重视，金卤灯无汞化的研究也取得进展。最初飞利浦公司用Zn取代 Hg［10，11］，利用 Zn的分子辐射连续谱获得高光效和显色性。但用Zn取代Hg后，为维持高光效将牺牲显色指数，同时由于需要更高的管壁温度才能保证Zn的蒸气压，这加剧了对PCA管壁的腐蚀。

欧司朗公司的Kaning等采用了全新的无汞陶瓷金卤灯方案［12］。考虑到两个有利因素:1)给定功率下，电弧截面越小，灯电压就越高;2)电弧管内低温区不仅能产生有利于显色指数提高的分子辐射，还能使电弧收缩。于是他们提出了一组基于TmI3的填充体系 (Xe－TlI－AlI3－TmI3)，该填充系不仅无汞，而且其分子辐射使光源参数比较理想:光效90 lm/W，显色指数90，色温3420 K，灯电压70 V.其光谱也呈现出与传统金卤灯不同的分布特性，如图3所示［12］。同时，他们还具体研究了 (Xe－Tl－AlI3－ReI3，Re为稀土金属)系的分子连续谱特点，为无汞填充剂的选取提供了依据［13］。

图3 填充Xe－TlI－AlI3－TmI3无汞陶瓷金卤灯光谱［12］

图4 两件套陶瓷电弧管［14］

2.3 电弧管及其附件

陶瓷金卤灯电弧管的成型工艺直接影响其质量和光源的性能。常见的工艺有五件套成型和三件套成型。Dudik等提出了两件套成型工艺 (见图4)，指出其优点在于成型过程中几乎是无应力接合［14］。

陶瓷金卤灯中，电极的引入是一个十分复杂的工艺，该工艺要求所用金属材料应同时满足以下要求:与陶瓷毛细管的膨胀系数匹配;熔点要高，耐高温;耐卤化物腐蚀;容易与钨电极焊接。Baier等总结了陶瓷金卤灯中使用的四种电极－陶瓷管封接方案［15］:Nb合金 (NbZrl);Mo－Al2O3金属陶瓷;(微合金)Ir引线;多段式的电极组件。这几种电极组件的热膨胀系数和陶瓷材料都很接近，且化学稳定性好。其中Nb合金 (NbZrl)组件可通过激光点焊组合成型，用玻璃焊料封接到陶瓷管。Mo－Al2O3电导率高，而热导率适中，不会使接合处温度过高。Ir引线化学稳定性很好，高温下蒸气压低，在非饱和陶瓷金卤灯中的应用如2.1节所示。但由于Ir是贵金属，成本很高，一般只用于性能要求特别高的特种灯。多段式电极组件组合不同的金属材料，使其发挥各自功能，但焊接技术是关键。

金属卤化物中广泛使用的电极材料是钍钨电极(ThO2－W)，这种电极具有电子发射性能好、耐蒸发的优点，但具有放射性。Uetsuki等研究了可取代钍钨电极的两种方案:2%Nd2O3－W，2%Sm2O3－W。采用这两种电极的半导体晒版用超高压汞灯老炼至200 h时，灯电压上升小于钍钨电极，紫外输出维持率高，表明电极材料蒸发得到了抑制。电极尖端的照片也显示200 h后电极尖端仍较完整［16］。

除了Hg和金属卤化物，He等提出可添加适量CeO2作为O2发生源，因 CeO2+Al2O3→ CeAl11O18+1/2 O2。产生的O2能促进管壁处的卤钨循环，带走管壁上沉积的W，从而提高流明维持率。但是产生的O2的量需严格控制［17］。

将电弧管封装进外泡壳前，需要在固定电弧管的支架上点焊消气片，用于在灯工作时吸收残留的或工艺引入的杂质气体，以确保外泡壳内的真空度。Corazza等开发了Zr－Fe－Y合金消气片，通过跟踪灯启动0～30 min外泡壳内残余气体压强的变化，发现Zr－Fe－Y消气片的吸气本领强于传统的Zr－Al合金消气片。同时，他们还开发了Zr－Co－Re合金消气片，并结合Zr－Fe－Y消气片良好的吸气特点，研制了更小巧的消气片，可用于小型光源，对出射光的遮挡大为减少［18］。

2.4 驱动与控制

高强度放电灯 (HID)作为气体放电光源，其驱动与控制十分复杂:启动时，需要瞬时的高电压(脉冲)击穿气体，产生放电;启动后，又需要控制灯的电流，使其稳定工作。前者是触发器的作用，后者是镇流器的作用。近年来，电子镇流器的广泛应用，将启动和镇流的功能整合在一起，不仅减小了器件体积，更提高了功率因数，节约电能。

Lester等总结了荧光灯、HID及LED的驱动器及镇流器，重点讨论了每一种光源的特点及其对驱动器、镇流器的要求［19］。他把HID镇流器分为三种类型［19］:第一种类型含全桥/半桥共振逆变器，可采用外部触发器或一体化触发器，见图5(a，b);第二种类型带有非对称桥式共振逆变器，见图5(c);第三种类型使用受控电流源产生低频方波交流电流，见图5(d)。对于HID光源，其驱动器和镇流器的关键是:(1)提供足够的高压产生放电;(2)选择合适的工作频率，避免声共振。这说明要做好HID光源的驱动和控制，必须研究其启动特性和频率特性。

图5 三种类型的电子镇流器结构［19］.(a)带外部触发器的半桥/全桥共振逆变器; (b)带一体化共振触发器的半桥/全桥共振逆变器;(c)带一体化共振触发器的非对称桥式共振逆变器;(d)带外部触发器的方波电流源。

关于HID光源的启动特性，Sato等指出启动电压的脉冲越宽，击穿电压越低。同时，通过模型计算充气压8 atm的氙灯在宽、窄脉冲下的击穿电压，验证了上述结论［20］。Tant等研究了用缓慢增长的直流电压点灯时金卤灯的击穿电压，得到了不同直流偏置电压下击穿电压的分布区间［21］。Sobota等研究了交流点灯时的击穿特性，通过ICCD成像技术，测量了两个特征量——统计延迟时间 (statistical lag time)和形成延迟时间 (formative lag time)，结果显示，前者可达0.15 s，比后者至少大两个数量级［22］。此外，Estupinan等通过放电腔实验验证了HI浓度增加 (达ppm量级)时击穿电压上升，同时通过对Xe和HI混合气体进行的计算模拟定量验证了实验结果［23］。

关于HID光源的频率特性，van Erk等比较了Sc－Na金卤灯超高频工作相比低频工作的优点，指出超高频工作的金卤灯流明维持特性改善，原因主要在于:(1)高频下，电场换向快，电弧管支架发射的电子来不及经过充有N2的空间到达电弧管外壁，电弧管上的电子流通量减少，使Na损失减少;(2)交流工作下，阴极加热时为点附着，冷却时却为扩散附着，长时间下，这一加热模式的不对称性会损坏电极的尖端结构。而高频下该效应不存在［24］。

声共振也是HID光源在高频下出现的一大难题。Kaiser等总结了探测声共振现象的三种方法:声发射测量，电参数测量 (电压、电流、功率等)，以及电弧位移和扰动的光学探测。他们综合应用了这三种方法，探测了70 W高压钠灯在3.8～4.4 kHz频率范围内的声共振情况。结果发现，3.9～4.1 kHz范围内，灯功率和阻抗有明显上升，电弧弯曲;而声强探测却在4.2～4.4 kHz范围内增强［25］。

改进镇流器对灯的控制模式，也能提高镇流器的控制质量。Chen等提出灯启动后，通过跟踪储存在电弧中的能量E，可进行更好地光输出水平控制。这种控制方法与跟踪灯电压的控制方法相比，更能抗电压的波动。E可以度量灯的热惯性 (thermal mass)，而灯功率越大，热惯性越大。所以灯启动后其功率可由其热惯性确定，并能根据相对光效－热惯性曲线进行光控制。由此制成的镇流器可以匹配不同功率的灯，并有很好的光控制水平［26］。

2.5 诊断

对HID进行诊断的目的在于深入了解相关机理，以优化各项制灯工艺，指导研究与生产。HID诊断主要有两个范畴:一是通过各种成像技术获得断面的影像，如通过PCA断面可了解腐蚀程度;二是通过光谱进行“非接触”式诊断，以获取等离子体及相关成分的信息 (粒子浓度、电弧温度等)。

陶瓷金卤灯中，金属卤化物盐与陶瓷管壁、与焊料的腐蚀情况是影响其性能和寿命的重要因素。要诊断腐蚀程度，X光透射成像可进行定性分析，扫描电镜 (SEM)可进行定量分析。Takahara等应用X光透射影像分析了无汞金卤灯毛细管处的腐蚀深度，指出腐蚀深度与电极结构的螺旋直径及电极杆的伸出长度有关，即与电极的温度分布有关［27］。Ramaiah等通过扫描电镜 (SEM)诊断了陶瓷金卤灯电极封接不同位置处卤化物渗入焊料的程度，并给出了计算渗透率的经验公式［28］。Gielen等通过SEM诊断验证了陶瓷金卤灯中存在着两个可逆反应:

这两个反应将 Al2O3从热端向冷端输运［29］。Toth等通过SEM和二次离子质谱 (SIMS)诊断了Al2O3表面覆盖的W层，从而可分析W的附着造成的光通量的下降［30］。Motomura指出，用于汽车前照灯的无汞金卤灯在竖直燃点时电弧不对称，不能通过Abel转换获得光强的空间分布。他们应用X光断层摄影术 (tomography)获得了电极附近和电弧中央处层断面上的光强分布，发现Sc电弧收缩，Na电弧扩散。

光谱诊断能获得等离子体的参数。Westermeier等应用UHP灯作为宽带连续谱光源，用吸收法测量了YAG陶瓷金卤灯中Dy原子的浓度。通过Dy共振线的吸收轮廓确定Dy原子基态浓度;通过测量光性薄Dy线的发射系数，确定Dy原子的激发态浓度;通过以上两者推断等离子体温度［31］。Curry等在300～1350 K温度范围内，通过X光感应荧光(XIF) 测得了 DyI3，DyI3－InI，TmI3和 TmI3－TlI体系中金属和碘化物的蒸气压［32］。

2.6 加速寿命测试与标准化探索

进行HID测试主要为了获得光源的一些宏观性能指标，如光参数 (光通量、光效)，色参数 (显色指数、色温、色坐标)和电参数 (电压、电流、功率)等。这些测试本身很容易进行，但重要的是如何用一个统一的标准来衡量不同品牌和型号的光源在不同的测试环境下得到的测试结果。光源基本光、色、电参数的测试及标准可以由企业、国家及国际组织设定的标准进行统一衡量。但是HID寿命的测试并非易事，原因在于HID光源的寿命一般＞10 kh，而采用加速测试 (如过功率等)使得灯的工作状态发生复杂的变化，无法由加速寿命推测正常燃点的寿命。

近年来对HID加速测试的方法也进行了诸多研究。Yang等通过20 min开/20 min关实验加速测试2 kh时陶瓷金卤灯的结构及光学特性［33］。Itoh等在液氮环境中，以2 min开/3 min关的方式，延长辉光放电时间，进一步加剧灯的损耗［34］。但这些方法只是单纯靠频繁开/关光源加剧电极损耗和管壁黑化，并没有对应到实际的点灯时间。Gibson通过三种方法推测灯的寿命［35］:

(1)失效分布预测。中功率陶瓷金卤灯的Weibull分布Ft=1 －exp［－(t/α)β］，其中α 为比例因子，β为形状因子。根据该分布，灯的平均额定寿命 (50%的灯失效的时间)可估计为t50%=n1/βT .

(2)加速测试:以20%～70%过功率点灯，确定加速因子随功率和型号的变化。

(3)虚拟失效分析:以其他性能参数作为指标分析失效，如一定的管压增量。

除了HID光源的寿命测试，Francios等提出了相应指标，来表示HID光源颜色稳定性随时间的变化［36］。

2.7 理论模型

除了从实验上对陶瓷金卤灯进行相关的诊断和测量，还可以根据理论模型计算相关参数，来预测实验结果，指导现有产品的改进以及新产品的研究开发。

vander Mullen将PLASIMO工具包用于描述HID灯中等离子体的状态，构建了含NaI和DyI3的金卤灯模型。该模型的输入参数包括:填充的化学成分、驱动功率、电弧管形状;输出参数为等离子体特性:灯电压、热与辐射的产生、灯内物质分布、温度分布、速率和压强。模型计算的结果通过国际空间站微重力实验和地面离心机超重力实验所验证［37］。

Babaeva等通过nonPDPSIM等离子体模型研究了击穿特性与电压上升时间、极性及等离子体成分的关系。研究了含Xe/NaI/ScI3/ZnI2无汞系统的热力学特性。结果发现，内管壁上沉积的盐层会通过等离子体流，这由电导性质决定［38］。

3 国内陶瓷金卤灯技术进展

经过几年的攻关，国产陶瓷管技术获得了很大的进步，代表性的技术有潮州三环、中科院上海硅酸盐所、上海亚明和沈阳玻璃研究院。电弧管和整灯技术的代表企业有上海亚明、广东雪莱特和海宁新光阳。

与国外先进水平相比，国产陶瓷金卤灯制造企业的差距主要体现在:(1)高品质陶瓷管的大规模制造能力;(2)电极封接核心专利;(3)填充药丸优化，减少熔盐对陶瓷管壁的腐蚀;(4)在灯参数方面，国外先进水平已达到光效100～130 lm/W，寿命20 kh;而国内是光效80～100 lm/W，寿命15 kh.

亚明公司与复旦大学电光源研究所合作，承担了上海市科委的科技攻关项目，完成了年产100万只小功率陶瓷金卤灯生产线的建设，掌握了规模化生产的关键工艺技术和对应的关键材料配方，优化了产品结构的设计。产品功率有20，35，70，150 W四种，色温有3000 K和4000 K，灯头型式有G8.5和G12.图6为典型陶瓷金卤灯的照片，灯的结构主要由陶瓷放电管、支架电引线、外泡壳和灯头组成。

图6 亚明陶瓷金卤灯照片

研发过程中解决的关键问题有: (1)采用Dy2O3－Al2O3－SiO2焊料体系，解决了铌、焊料玻璃与陶瓷毛细管形成气密性封接;(2)控制了渗漏和焊料腐蚀问题;(3)在电弧管中充入放射性气体85Kr解决启动问题。研发中采用的检测和诊断手段有X光透视、红外热成像、X光断层扫描和SEM扫描电镜等，如图7～10所示，这对找出问题、优化设计起到了重要的作用。

国标《GB/T 24458－2009陶瓷金属卤化物灯性能要求》规定［39］，功率20，35，70，150 W，色温3000，4000 K的陶瓷金卤灯的参数要求如表1所示。亚明陶瓷金卤灯的参数如表2所示，其中光通维持率为自测数据。比较表1和2，可以看出亚明的4种小功率陶瓷金卤灯的电压、电流、功率和色温符合国标的要求，光效、显色指数和2 kh光通维持率高于国标规定值。其中70 W灯的光效高5%，显色指数高10%，2 kh光通维持率高13%.这说明亚明陶瓷金卤灯达到了较高的水平。

图7 X光透视焊料的深度和缺陷

图8 红外热成像检测电弧管温度分布

图9 X光断层扫描观察到封接处的气泡分布

图10 焊料蚀坑SEM图像

表1 国标规定的陶瓷金卤灯的参数

表2 亚明陶瓷金卤灯的第三方测试参数

总体而言，国产陶瓷金卤灯还需要继续优化设计，改进工艺水平。

4 陶瓷金卤灯技术展望

陶瓷金卤灯能提供高光效、高显色性、长寿命的照明，同时其小体积适合各种配光方式，是未来气体放电光源的主要发展方向。在室内照明中，小功率陶瓷金卤灯可与卤钨灯竞争，用于重点照明和高显色照明;在道路照明和隧道照明中，中功率陶瓷金卤灯可与高压钠灯竞争，其白光照明可提高小目标的分辩能力。国外全面深入的研究推动了陶瓷金卤灯的技术进步。随着各种产品的开发，国内陶瓷金卤灯的技术水平逐渐向国际先进水平靠拢，但还欠缺深入的研究，需要着力加强。

非饱和陶瓷金卤灯光效更高，寿命期间颜色一致性更好，但陶瓷管和封接的技术难度大，应设法开展研究开发。无汞陶瓷金卤灯既能达到含汞陶瓷金卤灯的性能，又消除了汞污染，是未来HID光源的发展方向。但高浓度的稀土卤化物对陶瓷管的腐蚀加剧，需要加强基础研究，解决陶瓷管的腐蚀问题。

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