专利名称：具有膨胀式反应黏合氧化铝件的陶瓷放电管的制作方法
技术领域：
本发明涉及陶瓷放电管，尤其涉及用于高照度放电应用的包括蓝宝石管主体的放电管。
背景技术：
陶瓷放电管通常用于诸如高压钠灯(HPS)、高压水银灯及金属卤化物灯的高照度放电(HID)灯。这些放电管典型地由多个陶瓷件形成，该多个陶瓷件共同烧结以在未使用熔块材料的部件之间形成密封。该技术依赖于陶瓷件的差异收缩以在该部件之间产生干涉配合。尽管诸如蓝宝石、钇铝石榴石、氮化铝及氮氧铝的其它陶瓷也可以使用，用于HID灯应用的优选陶瓷是多晶氧化铝(PCA)。
除了受限于由晶体生长技术所限定的直型之外，蓝宝石是优良的透明陶瓷材料。通常由EFG(边缘限定硅膜生长)方法生长的单晶体蓝宝石管对陶瓷金属卤化物灯有用。然而，因PCA对PCA的密封依赖于PCA部件的差异收缩，该技术不能正常应用在蓝宝石对PCA的密封，这是因为蓝宝石管在PCA部件烧结时不收缩。作为一个解决方案，最近一些用于低功率、汽车应用的陶瓷放电管的设计使用了与蓝宝石管端部套配的PCA帽。例如，可参见国际专利申请号WO99/41761。PCA帽在烧结时在蓝宝石管端部的周围收缩以与该管的外表面产生密封。然而，PCA帽的高热容导致了从PCA帽表面通过辐射产生的高热损耗，并引起严重的能导致高破裂率的热应力。另外，蓝宝石-PCA构造的成本与竞争技术比较相对较高。不幸地，具有熔块密封的PCA塞的蓝宝石管不是合适的备选物，这是因为以这种构造类型的熔块非常接近于较高温度区域，并且因此会被腐蚀性金属卤化物填充物更快速地攻击，该填充物可导致灯更早地失效。
发明内容
反应黏合氧化铝(RBAO)是具有低(＜1％)尺寸收缩的陶瓷材料的相对新种类。RBAO相对于传统的氧化铝的烧结是新的，因为其在加热期间在压缩主体内同时发生反应和烧结。制造坚固的RBAO主体的方法开始于在约1200℃到约1550℃进行热处理的铝金属和氧化铝粉末的磨碎混合物的坯块。典型地，希望因铝金属和氧化铝的反应的膨胀和该氧化铝的烧结的收缩接近平衡。
然而，与先前的RBAO的应用不同，本发明涉及将该RBAO引入一个范围，其中在加热时密实化伴随着小的膨胀形成。该RBAO部件的膨胀用于在陶瓷部件之间产生密封。实际上，该RBAO部分对着压缩表面隆起并密封。这可以认为是不同于用于PCA的差异收缩方法。
由于该RBAO在烧结时膨胀，其可能用RBAO塞插入在蓝宝石管内以密封该管的端部并因此减少对外部PCA帽的使用。此构造应产生更好的热剖面、低应力和高生存性。尽管内部密封塞构造是优选的，不限于使用膨胀式RBAO以在该弧形管内形成内部密封。例如，也可能在该帽构造中使用膨胀式RBAO，借此在烧结时该RBAO的膨胀导致该帽在该管的外表面压缩从而形成外部密封。这样，在陶瓷放电管的制造中，对用于产生密封的膨胀式RBAO的使用允许有更多的灵活性。
所以，根据本发明的一个方面，提供了包括陶瓷主体和至少一个与该陶瓷主体密封的膨胀式反应黏合氧化铝件的陶瓷放电管。
根据本发明的另一个方面，提供了在陶瓷放电管中形成密封的方法，该方法包括(a)形成陶瓷主体；(b)通过压缩铝金属和氧化铝粉末形成处于生坯状态的反应黏合氧化铝件；(c)装配该陶瓷主体和该处于生坯状态的反应黏合氧化铝件，以形成组合体；和(d)反应烧结该组合体以使该反应黏合氧化铝件膨胀并与该陶瓷主体形成密封。
图1是根据本发明的用于无电极灯的陶瓷放电管的剖面图；图2是根据本发明的环形密封件的图示；图3是根据本发明的结合了图2的环形密封件的五件式陶瓷放电管的剖面图；图4是根据本发明的三件式陶瓷放电管的剖面图，其中该密封件具有一体式的毛细管；图5是图1所示的陶瓷放电管的备选实施例的剖面图；图6是根据本发明的用于HPS照明应用的陶瓷放电管的剖面图；图7是图6所示的陶瓷放电管的备选实施例的剖面图；和图8是根据本发明的具有膨胀式反应黏合氧化铝毛细管的陶瓷放电管的剖面图。
具体实施例方式
为了更好地理解本发明以及其它的和进一步的目的、优点及其性能，结合上述的图示对以下的内容和所附的权利要求做了说明。
在完成用于RBAO陶瓷的反应黏合周期后，用于总尺寸变化(S)的普通方程式为以下的方程式(1)(1)S＝[(1+∑υiVi)(ρ0/ρ)/(1+0.28fVAl)]1/3-1其中，υi是与相应的氧化物(例如，υAl＝0.28，υZr＝0.49，υTi＝0.76，υCr＝1.02)相关的体积膨胀，Vi是金属(包括VAl)或加入最初粉末混合物中的陶瓷相的体积分数，f是Al在粉碎时的氧化分数，ρ0和ρ分别是生坯时和最后的密度。方程式(1)表明了Al的较高体积分数和高的生坯时的密度可以在对Al/Al2O3坯块烧结时产出最终的膨胀(而非收缩)。典型地，约1-4％的体积膨胀发生在～700℃，这是由于Al相的融化。当此膨胀发生时，理论上该融化的Al金属会从Al/Al2O3部件伸展而填充部件间的间隔，以通过进一步的反应烧结形成密封。
图1是根据本发明的用于无电极灯的陶瓷放电管的剖面图。放电管2具有管状主体3和密封件7，其共同限定放电腔12。管状主体3由优选为半透明PCA或蓝宝石的陶瓷材料组成。密封件7由膨胀式RBAO塞组成。放电管的另一个实施例如图5所示。此处，凹槽43制作在放电管2′的管状主体3′的端部，以接收密封件7。凹槽43的边缘45限制密封件7的插入深度，从而提供了更精确的定位。
在优选的制造方法中，使处于生坯状态的密封件7插入PCA或蓝宝石管的端部并通过反应烧结膨胀。因RBAO塞的直径在反应烧结时膨胀，随着对管状主体3的内表面5的压缩产生了干涉配合，且在管状主体3和密封件7之间形成了密封。就PCA而言，PCA管可能先于和RBAO塞结合而完全烧结，而在这样的情况下，当对RBAO部件烧结时只可能产生PCA管最小的收缩，或者PCA管只可能进行预烧，而在这样的情况下，PCA管将收缩，这是因为RBAO部件在反应烧结步骤中膨胀。在后一情况下，氧化铝管在与生坯的RBAO部件结合前在850℃到1350℃进行预烧。组合的部件然后在低于1350℃的温度反应烧结，以将部件至少部分地连接，且然后在约1850℃的更高温度，在氢气、氮氢混合气体或真空条件下烧结，以增加透射比并完成密封。烧结-HIP(热等静压)过程还可用于产生高透射比，该过程将组合件烧结到随后是HIP的封闭内孔阶段。
图3是五件式陶瓷放电管的剖面图。在该实施例中，放电管21具有管状主体3并由环形密封件20(单独显示于图2)密封。环形密封件20具有用于接收毛细管25的孔23。毛细管25具有适合于接收电极组件(图未示)的内孔29。毛细管25优选由在插入生坯的RBAO密封件前已至少进行预烧且更优选地进行完全烧结的PCA组成。因RBAO密封件在烧结时膨胀，在环形密封件20的圆柱外表面31和管状主体3的内表面5之间并在孔23的圆柱表面35和毛细管25的外表面27之间进行干涉配合，从而形成密封。在图4所示的备选实施例中，环形密封件20′和毛细管25′制造成为由膨胀式RBAO组成的一体件。
关于如图3和图4所示的放电管，金属卤化物填充材料可以在陶瓷部件间形成密封后插入放电腔12内。典型的金属卤化物填充材料包括水银加上诸如Nal、Cal2、Dyl3、Hol3、Tml3和TII的金属卤化盐混合物。放电腔12还可包含诸如30到300托的氙或氩缓冲气体。还可以采用更高的填充气体压力，例如在20℃时1-30巴的氙。这种更高压力对需要即时启动的诸如汽车灯的灯是有用的。电极组件插入到各个毛细管25内以便其一端突出放电管以提供电连接。伸入放电腔内的电极组件的端部与钨丝圈或其它类似的装置配合，用于提供电弧放电的接触点。电极组件通过熔块材料(优选为Al2O3-SiO2-Dy2O3熔块)与毛细管密封。
图6和图7是根据本发明的用于HPS灯的陶瓷放电管的两个备选实施例的剖面图。放电管50具有由PCA组成的管状主体53。由膨胀式RBAO组成的环形塞57密封在各个管状主体53端部内，从而限定放电腔51。环形塞57内的孔59用于接收电极组件，该电极组件典型地由与钨电极相连的铌引线组成。铌引线在钠/水银合金和缓冲气体加入放电腔51内后以熔块密封在孔内。在图7中，放电管50′的环形塞57′具有对着管的端部设置的法兰60，以对环形塞57′提供更精确的定位。
图8本发明的进一步的实施例，其中陶瓷放电管70具有管状主体73和毛细管77。管状主体73可以由蓝宝石或PCA组成，而毛细管77由膨胀式RBAO组成。毛细管77插入预定的深度从而限定放电腔82，且在对RBAO进行反应烧结时膨胀以与管状主体73的内表面75形成密封。毛细管77具有用于接收电极组件的内孔79，且放电腔82可以填充前述的金属卤化物填充物。
为了说明用于形成密封的膨胀式RBAO的性能，制作了固体RBAO塞并密封在烧结的PCA管的端部内。尤其是，将具有平均为20μm的粒子尺寸(Johnson-Matthey)的铝金属粉末以30、40、50和60的体积百分比(vol％)的量与氧化铝粉末(来自Baikowski的CR6或CR1)混合。具有6m2/g的表面面积的CR6氧化铝粉末因其可烧结性而成为优选。更精细的铝粉末是可用的，但是亚微细粒的铝粉末因可能发生自燃而需要特别预防。对于大于1μm的铝粉末，可以接受在周围温度下在空气中处理。铝金属体积容量可以在10到70体积百分比的范围内，且优选为从50到60的体积百分比。当铝金属容量较高(＞60vol％)时，压缩部件趋于变软及变脆，这使得处理更加困难。使用5mm的ZrO2球和高密度聚乙烯瓶将Al/Al2O3混合物在甲醇中球磨2小时。因铝金属粉末与水反应所以用甲醇进行球磨。对球磨限定为2小时以防止吸收过多的来自媒介的ZrO2。在盘式干燥后，粉末用研钵/研棒进行分解。以35ksi或更高对粉末进行单轴向压缩或等静压(Isopressed)。因铝金属在压力下变形，Al/Al2O3坯块可能获得理论上的60-80％的高生坯密度。如果需要，生坯塞可以加工到预定尺寸。生坯RBAO塞的直径为4.90mm，厚度为2mm，且PCA外管的ID为4.95mm。在与外管组装后，全部的样品在流动空气或氧气下反应烧结，并使用以下的温度周期(1)以1℃/分的速度加热到700℃的温度并保持在700℃的温度24个小时；(2)继续以1℃/分的速度加热到1100℃的温度并保持在1100℃的温度24个小时；(3)继续以1℃/分的速度加热到1550℃的温度并保持在1550℃的温度24个小时；最后以30℃/分的速度冷却到室温。最后的保持温度可以高于1550℃，例如1600-1900℃，以便增进完全的密实化。这依赖于开始的生坯密度和Al与Al2O3相的粒子尺寸。纯净的氧气环境是优选的，因其可促使铝金属粒子快速氧化为Al2O3。温度的慢速降低可以限制管的破裂。诸如2℃/分至5℃/分的高降温速度导致外管的破裂，这可能是因为应力松弛的不足。1550℃的温度足以形成密封主体并直接将膨胀式RBAO塞与外部氧化铝管结合。
在反应预烧期间，RBAO塞因其直径由4.90mm增加到5.25mm而具有0.35mm的最终膨胀，这形成了约6％的纯干涉。当使用了较高的降温速度(5℃/分)时，外PCA管内的纵向裂纹在反应烧结周期之后显现。膨胀式RBAO塞和外部氧化铝管的结合长度为2mm。成功结合的管可密封为小于10-9scc/sec。
虽然本发明的优选实施例已进行了图示及说明，但在不背离本发明的由所附权利要求限定的范围下所做的各种变化和修改对本领域技术人员是明显的。
权利要求
1.一种陶瓷放电管，其包括陶瓷主体和至少一个与所述陶瓷主体密封的膨胀式反应黏合氧化铝件。
2.根据权利要求1所述的陶瓷放电管，其特征在于，所述陶瓷主体是管，且所述膨胀式反应黏合氧化铝件与所述管的内表面密封。
3.根据权利要求2所述的陶瓷放电管，其特征在于，所述陶瓷主体包括多晶氧化铝或蓝宝石。
4.根据权利要求2所述的陶瓷放电管，其特征在于，所述陶瓷主体包括蓝宝石。
5.根据权利要求2所述的陶瓷放电管，其特征在于，所述膨胀式反应黏合氧化铝件具有孔和插入所述孔内的毛细管。
6.根据权利要求5所述的陶瓷放电管，其特征在于，所述膨胀式反应黏合氧化铝件和毛细管以单件式成形。
7.根据权利要求5所述的陶瓷放电管，其特征在于，所述毛细管包括多晶氧化铝。
8.根据权利要求1所述的陶瓷放电管，其特征在于，所述陶瓷主体是管，且所述膨胀式反应黏合氧化铝件定位在所述管的端部内的凹槽内。
9.根据权利要求2所述的陶瓷放电管，其特征在于，所述膨胀式反应黏合氧化铝件具有孔。
10.根据权利要求9所述的陶瓷放电管，其特征在于，所述膨胀式反应黏合氧化铝件具有对着所述管的端部设置的法兰。
11.根据权利要求2所述的陶瓷放电管，其特征在于，所述陶瓷主体是管，且所述膨胀式反应黏合氧化铝件是毛细管。
12.根据权利要求11所述的陶瓷放电管，其特征在于，所述陶瓷主体包括蓝宝石。
13.根据权利要求1所述的陶瓷放电管，其特征在于，所述陶瓷主体是管，且所述膨胀式反应黏合氧化铝件与所述管的外表面密封。
14.一种在陶瓷放电管中形成密封的方法包括(a)形成陶瓷主体；(b)通过压缩铝金属和氧化铝粉末的混合物形成处于生坯状态的反应黏合氧化铝件；(c)装配所述陶瓷主体和所述处于生坯状态的反应黏合氧化铝件，以形成组合体；和(d)反应烧结所述组合体以使所述反应黏合氧化铝件膨胀并与所述陶瓷主体形成密封。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述铝金属粉末包括所述混合物的10到70的体积百分比。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述铝金属粉末包括所述混合物的50到60的体积百分比。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述处于生坯状态的反应黏合氧化铝件具有60-80％的生坯密度。
18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述陶瓷主体包括在形成所述组合体前至少已进行了预烧的多晶氧化铝。
19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述陶瓷主体在形成所述组合体前已进行了完全烧结。
20.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述陶瓷主体在所述组合体反应烧结时收缩。
全文摘要
提供了一种陶瓷放电管，其中该陶瓷放电管包括陶瓷主体和至少一个与该陶瓷主体密封的膨胀式反应黏合氧化铝元件。制造该陶瓷放电管的方法包括(a)形成陶瓷主体；(b)通过压缩铝金属和氧化铝粉末的混合物形成处于生坯状态的反应黏合氧化铝元件；(c)装配该陶瓷主体和该处于生坯状态的反应黏合氧化铝元件，以形成组合体；和(d)反应烧结该组合体以使该反应黏合氧化铝元件膨胀并与该陶瓷主体形成密封。
文档编号H01J9/00GK1797688SQ20051013785
公开日2006年7月5日 申请日期2005年12月28日 优先权日2004年12月28日
发明者K·京特, R·许廷格尔, W·P·拉帕托维奇, G·C·魏 申请人:奥斯兰姆施尔凡尼亚公司