基本介紹
發光原理,概述,基本簡介,主要參數,質量關鍵,優缺點,發展設計,概述,陶瓷泡殼是產品質量的關鍵,
發光原理
金屬鹵化物燈(金鹵燈)主要依靠金屬鹵化物作為發光材料，金屬鹵化物以固體形態存在燈內。因此，燈內必須充有少量的引燃氣體氫或氙，以便點燃燈泡。燈點燃後，首先工作在低氣壓弧光放電狀態，此時燈兩極電壓很低，約18～20V，光輸出也很少，這時主要產生熱能，使整個燈體加熱，引入燈中的金屬鹵化物隨溫度升高不斷蒸發，成為金屬鹵化物蒸氣，在熱對流的作用下，不斷向電弧中心流動，一部分金屬鹵化物被電弧5500～6000K高溫分解，成為金屬原子和鹵素原子，在電場的作用下，金屬原子被激發發光；另一部分金屬鹵化物不被電弧高溫所分解，在高溫和電場雙重作用下，直接激發形成分子發光。
由於各種金屬鹵化物蒸發溫度不同，因此，這些粒子陸續蒸發參與發光，所以有不同的原子光譜相繼出現，隨著溫度的逐漸升高，電弧中金屬原子密度逐漸增加，產生共振吸收，原子特徵光譜逐漸減弱直至消失，並向長波段擴展，由於燈溫進一步提高並建立熱平衡，於是全部金屬鹵化物蒸發，分子光譜隨之出現，光色及亮度也趨於穩定，燈內氣壓可達幾十個大氣壓，燈內電弧由低壓弧光放電轉為高壓弧光放電，燈兩端電壓由18～20V上升並逐漸穩定到100V左右，進入正常發光狀態。
概述
陶瓷金鹵燈受到照明業界的十分重視並非偶然，經過十餘年的實踐考驗，其高超性能如高光效、高顯色和長壽命已為人們所認同。雖然市售陶瓷金鹵燈中即使最著名品牌也出現不少瑕疵，但這並不能掩蓋其優點。陶瓷金鹵燈的套用正在各個領域開拓和普及，相應的各種與專用功能相適應的燈型結構正在不斷開發，無論生產或是套用在我國必有大的突破。
陶瓷金鹵燈的開發和套用在我國起步較晚，一則是由於這是一種高技術被壟斷的產品、產量不多、售價奇貴，人們常常不敢問津。由於這種燈生產技術要求很高、裝備複雜昂貴、投資巨大也使很多投資者望而卻步，這些因素延緩了陶瓷金鹵燈在我國的發展。
陶瓷金鹵燈在歐美已逐步普及，我國的套用也開始擴大，很多照明界的科技人員和企業家已把注意力集中到這一產品上。然而由於這確實是一種技術難度很大的產品，與我國當前的技術與裝備水平有較大差距，對原輔材料和工藝的了解不多，一些開拓者也常常只是套用高壓鈉燈裝備、材料和技術來製造陶瓷金鹵燈，因而其產品的性能參數和壽命很難達到應有水平。
事實上不只我國企業，甚至某些最著名的大型跨國公司的產品也仍存在不少問題、甚至嚴重質量問題，由此可以說明其質量與技術確實不易掌控。
基本簡介
經過20年的研發和改進，燈的基本結構已經定型，雖然專利繁多結構也略有差異，但基本是中央為一個較大的電弧管管體和二端對稱設定一對支托電極的袖管（圖1）。其管體存在二種基本結構，即圓柱形（a）和球形（橢球或類似球形）泡殼（b），前者為飛利浦和GE的專利，他採用的是五件或三件裝配結構，後者為整體球形一體化結構（b),光大鮑迪克的專利，歐司朗使用的則是中間有接縫的二件組裝球形結構(c)，此外還有多種圓柱狀的二件及三件組裝結構的電弧管（d）.
泡殼的幾種基本形狀
泡殼的幾種基本形狀整體球形一體化結構陶瓷管
多件組裝電弧管殼是利用燒結時外套件收縮率大而使各組件緊箍在一起，並在交界面晶粒相互交錯生長而結成一體的。但如材料、工藝及燒結溫度等略有偏移則結合部可能產生氣線、氣泡，製成燈後難以承受運轉時反覆的熱衝擊而導致放氣漏氣或炸裂。整體結構泡殼雖然成型較為複雜，但具有較好的質量保證。
陶瓷金鹵燈的另一結構上的特點是電極，GE、飛利浦的電極結構示如圖2。
其結構是在鈮桿前端為一繞有鉬螺旋的較細鉬桿，鉬桿前端則為一段更細的釷鎢絲桿，其前端繞有數圈鎢絲。此種結構的電極直徑較粗能填滿電弧管的袖管，但又有相當柔性，不致因溫度變化而給陶瓷袖管過大應力使之撐裂；這種電極有足夠好的電導率，而熱阻較大，從電極尖端或電極引線傳向陶瓷袖管的熱量較少，不致引起過高升溫而影響封接可靠性。
圖2- GE及飛利浦的電極結構
圖2- GE及飛利浦的電極結構主要參數
幾種有關光源的主要參數示如表1，從陶瓷金鹵燈的主要參數可以看出陶瓷金鹵燈是一種性能優越的燈種，由於它的高顯色性和較低的色溫使之成為唯一的可以替代白熾燈和鹵素燈的燈種。歐美家庭現在仍然大量採用無紫外、低色溫、高顯色的白熾燈，而該地區國家已公布2012年將全面禁止使用白熾燈，所以在這一方面小功率陶瓷金鹵燈將會有極為廣闊的市場。
表1-幾種有關光源的參數
燈參數 燈種 | 光效(lm/W) | 顯色指數(Ra) | 功率(W) | 色溫(K) | 壽命(hr) | 透雨霧能力 | 參數漂移 | 照明領域 |
80 | >80 | 15~400 | 2700~6500 | 100000 | 強 | 小 | 室內外 | |
CMH | 90~120 | 85~95 | 15~400 | >2800 | 12000 | 強 | 較小 | 室內外 |
QMH | 60~90 | 60~90 | 50~2000 | 4000~6000 | 6000~8000 | 弱 | 較大 | 室內外 |
HPS | 80~120 | <30 | 50~2000 | <3000 | 12000 | 強 | 小 | 室外 |
LED | 80-120 | <70 | <10 | 3000-7000 | 50000 | 弱 | 小 | 室內外 |
由於陶瓷金鹵燈的壁負荷、運轉溫度均高於石英金鹵燈，運轉時紫外輻射較強，因此必須採用能吸收紫外線的石英或玻璃材料作外罩殼。外罩殼的另一個非常重要的作用是保溫，由於陶瓷電弧管材料的熱導率很高，電弧管溫度分布均勻，壁溫度很高且壁內外溫度差較小。如將電弧管裸露在大氣中運轉則上升氣流將帶走大量熱量，使電弧管溫度下降200℃左右，使電弧管的正常運轉條件破壞，燈參數大幅下降，其優越性能完全喪失，給出了實際測量的裸電弧管及整燈的表面溫度分布。
表2- 39W 陶瓷金鹵燈電弧管光電參數測試結果
點燈狀態 | 冷端溫度（℃） | 電弧管壓降（V） | 燈功率（W） | 光通量（lm） | 光效（lm/w） | 色溫（Tc） | 顯色指數（Ra） |
豎直 | 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 陶瓷金鹵燈成品燈光電參數測試結果（與表2為同一電弧管）
質量關鍵
在陶瓷金鹵燈的實際工作條件下，燈中電弧溫度高達6000K，而管壁溫度達1500K，工作氣氛在20個大氣壓以上。點燈時含有大量金屬鹵化物分子、金屬原子以及強腐蝕性的鹵素原子的高溫氣流 不斷沖刷電弧管內壁，即使高度穩定的陶瓷殼也難以承受。表明了某著名公司的品牌產品在使用數千小時後的陶瓷殼壁內表面晶界因腐蝕而產生的溝槽及子晶表面蝕洞，該圖所示情況還是好的案例。國內一些陶瓷泡殼研製單位採用國產材料並完全按照高壓鈉燈的配方和工藝製作陶瓷金鹵燈泡殼，這是一個原則性錯誤。高壓鈉燈陶瓷管的材料配方是為抵禦鹼性氣體的腐蝕而設計的，用這種配方製造陶瓷金鹵燈泡殼必然難以抵禦高溫、強腐蝕酸性氣流的沖刷，結果不但污染燈中氣氛造成光衰、發黑等現象，同時還削弱管殼的強度，在使用過程中燈色溫較大的改變，電弧管漏氣和炸裂自然也就可以找到 原因了，原材料純度將直接影響到陶瓷的子晶的結構和性能，其中特別是Fe、Ca、Mg、Si、Na等的含量必須予以控制，因為這些雜質含量超標時將破壞Al2O3陶瓷的六方晶系的正常生長，影響陶瓷的透光率和強度。超純並且雜質含量、粒徑和粉粒形狀均符合要求且受到控制的Al2O3粉體是製成好的陶瓷泡殼必不可少的前提。目前國產陶瓷粉的問題是廠家給出的成份與實際差異很大，他們給出的雜質含量往往比相近牌號進口粉還少得多，而實際恰恰相反。國產粉料的形態均呈絮狀而非顆粒形，調配時分散性很差，用這樣的粉很難製成質地均勻、透明度高的多晶氧化鋁陶瓷殼，其晶粒尺寸亦難控制。
除了雜質含量和粒徑符合要求的超純氧化鋁外，嚴格定量的用以控制晶粒生長和抗酸性腐蝕的各種摻雜添加材料也是十分重要的，否則晶粒過分長大將導致陶瓷機械強度大幅下降。正常情況下陶瓷晶粒尺寸要求均勻並以20-30μm為佳，這既能保證有足夠機械強度、透光率也好。當陶瓷晶粒生長到數百微米即接近於陶瓷管壁厚度時其機械強度將大幅度降低，這樣的陶瓷管殼是不能用的。合適的工藝裝備是製造陶瓷泡殼的又一難點，各公司均有自己的工藝和方法，但不外等靜壓法、擠壓法、壓鑄法、注漿法、熱等靜壓法等。這涉及到大量技術機密問題，沒有任何公司公開他們的方法細節。
陶瓷的整個燒制過程是十分重要的，這決定了陶瓷的結晶形態、晶粒大小以及其中的微氣泡含量。眾所周知，多晶氧化鋁陶瓷中的微氣孔將引起光的散射和損失，並影響光的透過率特別是直線透過率。燒制不良的產品中會出現大量微氣泡，微氣孔較多時直觀的陶瓷透明度將明顯下降，當然這時光的總透過率也將相應降低。
陶瓷金鹵燈以其優異性能和高技術含量而為人重視，其高昂的價格更使得人們認為此種光源只適用於高級商業照明，如豪華酒店、賓館、高檔服裝專賣店、珠寶首飾店、高級會議廳等。但是隨著人們對事物認識的展寬和加深，很多觀點在迅速變化，陶瓷金鹵燈的套用領域也在不斷拓展。
五、結論
無庸置疑，陶瓷金鹵燈和LVD無極燈一樣，是現今性能比較優異、性價比較高的新型光源，其優異性能使之以比當前所有光源更佳的效果、取代該種光源而套用於幾乎所有場合，並在節能減排和營造更宜人的光環境方面作出巨大貢獻。
大力開發推廣陶瓷金鹵燈的生產和套用應成為當前努力的重點，有關政府部門及相關企業事業單位亦宜以此為重點組織有關力量進行配套推廣，這樣可以使得陶瓷金鹵燈的生產迅速擴大、成本下降，從而更有利於推廣普及，對我國的節能減排作出更大貢獻。
優缺點
陶瓷金鹵燈的最大優點是發光效率特別高，光效高達80～90Lm/W，正常發光時發熱少，因此是一種冷光源。由於金屬鹵化物燈的光譜是在連續光譜的基礎上迭加了密集的線狀光譜，故顯色指數特別高，即彩色還原性特別好，可達90[%]。另外，金屬鹵化物燈的色溫高，可達5000～6000K，專用投影機燈可達7000～8000K。在同等亮度條件下，色溫越高，人眼感覺越亮。
金屬鹵化物燈因亮度高、體積小，故相對壽命較短，由於材料、工藝的限制，金屬鹵化物燈的另一個缺點是啟動困難，必須用專門的觸發器。啟動後亮度系逐漸增加，如果啟動能量過大，啟動速度過快，會影響燈泡壽命，在電路設計時應充分考慮。
發展設計
概述
經過20年的發展，陶瓷金鹵燈技術已經成熟，質量臻於完善。實踐證明陶瓷金鹵燈是一種高性能商用照明光源，其光效(110～120lm/W)和壽命(12000小時)堪與高壓鈉燈相匹，而其顯色指數則達90或95以上，接近鹵素燈和白熾燈的水平。由於不存在鈉滲漏問題，其色溫可以降低到3000K或以下，與白熾燈、鹵素燈相近。其色溫及光色的一致性好、漂移小、遠非石英金鹵燈能比。陶瓷金鹵燈一系列優異性能使之廣泛用於幾乎一切照明領域。隨著生產技術成熟、產量加大、價格亦開始降低，普及之勢正在全球發展，很多制燈企業及技術人員均欲一試身手，但很多投資者在啟動以後發現並不如預想，產品質量很難掌控，成品率過低，成本回收困難，不乏知難而退、中途停止的。
陶瓷金鹵燈是一種高技術產品，燈用材料、制燈裝備、制燈工藝、電弧管結構設計、操作技能等所有環節對做好陶瓷金鹵燈無一不具有十分重要的意義，任一環節稍有疏漏均將功敗垂成。
