異軍突起的陶瓷金屬鹵化物燈探密

肖九梅

(湖北武漢市江城化工材料公司,武漢 430055)

異軍突起的陶瓷金屬鹵化物燈探密

肖九梅

(湖北武漢市江城化工材料公司,武漢 430055)

摘要:金屬鹵化物燈(金鹵燈)是一種比較先進(jìn)光源，壽命長(zhǎng)，光效高、顯色性好。和LVD無(wú)極燈性能相似，只是發(fā)光源理不同。陶瓷金鹵燈其高超性能如高光效、高顯色和長(zhǎng)壽命已為人們所認(rèn)同，因此受到照明業(yè)界的重視。針對(duì)節(jié)能減排是陶瓷金鹵燈的最大優(yōu)勢(shì)和亮點(diǎn)，分析了陶瓷金鹵燈中金屬鹵化物的循環(huán)原理，論述了陶瓷金鹵燈是一種高技術(shù)產(chǎn)品，闡述了光效、顯色性和壽命使陶瓷金鹵燈成為節(jié)能主力，指出了高顯色性使陶瓷金鹵燈成為道路照明的最佳光源。

關(guān)鍵詞:陶瓷金屬;鹵化物燈;高技術(shù)產(chǎn)品;最佳光源

時(shí)下，世界各國(guó)對(duì)能源的需求呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，相應(yīng)地，節(jié)能需求也已經(jīng)迫在眉睫。照明作為能輕易實(shí)現(xiàn)節(jié)能20%以上的行業(yè)受到社會(huì)關(guān)注。金屬鹵化物燈(金鹵燈)是一種比較先進(jìn)光源，壽命長(zhǎng)，光效高、顯色性好。和LVD無(wú)極燈性能相似，只是發(fā)光源理不同。陶瓷金鹵燈受到照明業(yè)界的十分重視并非偶然，經(jīng)過(guò)十余年的實(shí)踐考驗(yàn)，其高超性能如高光效、高顯色和長(zhǎng)壽命已為人們所認(rèn)同。光源的未來(lái)開(kāi)發(fā)方向是光效、顯色性和壽命，這也成為了衡量燈性能的三要素。近年來(lái)，陶瓷金鹵燈的應(yīng)用正在各個(gè)領(lǐng)域開(kāi)拓和普及，相應(yīng)的各種與專(zhuān)用功能相適應(yīng)的燈型結(jié)構(gòu)正在不斷開(kāi)發(fā)，無(wú)論生產(chǎn)或是應(yīng)用近期內(nèi)在我國(guó)必有大的突破。

1節(jié)能減排將是陶瓷金鹵燈的最大優(yōu)勢(shì)和亮點(diǎn)

眾所周知，照明用電量在終端用電中僅次于電機(jī)，居第2位。目前全球氣候變暖給人類(lèi)生存帶來(lái)極大威脅，引起了國(guó)際社會(huì)的高度重視，尤其是哥本哈根會(huì)議之后“清潔能源”、“節(jié)能減排”已經(jīng)成為國(guó)際經(jīng)濟(jì)的主旋律和發(fā)展總趨勢(shì)。高污染高耗能的照明光源將逐步淘汰，更高效更節(jié)能的陶瓷金鹵燈產(chǎn)品的研發(fā)成功符合可持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)。

陶瓷金鹵燈電弧管可承受更高的溫度，可見(jiàn)光的輻射效率更高;陶瓷金鹵燈的光效是白熾燈的8～10倍，是鹵鎢燈的5～6倍，是緊湊型熒光燈的1.5～2倍;陶瓷金鹵燈無(wú)論是光效、光通維持率、顯色指數(shù)，還是光色穩(wěn)定性和壽命，均達(dá)到了現(xiàn)有光源的最佳水平;陶瓷金鹵燈是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的主力軍，其發(fā)展對(duì)緩和我國(guó)能源緊張狀態(tài)、減輕污染十分重要。

有資料表明，歐洲若采用透明陶瓷取代石英玻璃制作金屬鹵化物燈，一年可節(jié)約7.0×109kW.h照明用電，相當(dāng)于一個(gè)規(guī)模較大的發(fā)電站的發(fā)電量。目前美國(guó)GE公司、荷蘭pHilips公司、日本NGK公司和德國(guó)的Osram公司已有透明陶瓷金屬鹵化物燈投放市場(chǎng)。中國(guó)照明耗電大體占全國(guó)總發(fā)電量的10%～14%，耗電達(dá)三峽水利發(fā)電工程全年發(fā)電能力的2倍左右。金屬鹵化物燈過(guò)去用石英玻璃作燈管，工作溫度只有800℃，因而光效只有60～70lm/W。近年來(lái)歐洲、日本采用透明陶瓷作燈管，工作溫度可提高到1200～1300℃，光效可達(dá)90～95lm/W以上。由于陶瓷金屬鹵素?zé)舨粌H光效高，壽命長(zhǎng)，而且顯色性好，接近日光，所以既可用于室外大面積照明，也可用于要求顯色性好的室內(nèi)大面積照明，應(yīng)用范圍十分寬廣。

我國(guó)照明用電近8000億度/年以上，其中道路照明占30%，約2400億度。若道路照明全部采用陶瓷金鹵燈，按平均節(jié)能30%計(jì)算，可節(jié)電720億度，折合少消耗316．8億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)減少排放二氧化碳126萬(wàn)噸和二氧化硫5．76萬(wàn)噸。因此，在我國(guó)推廣使用陶瓷金鹵燈是對(duì)節(jié)能減排的重大貢獻(xiàn)。中國(guó)對(duì)能源的需求呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，相應(yīng)地，節(jié)能需求也已經(jīng)迫在眉睫。照明作為能輕易實(shí)現(xiàn)節(jié)能20%以上的行業(yè)受到社會(huì)關(guān)注。

高壓汞燈的光效和顯色性最差,美國(guó)和歐盟將在2013開(kāi)始淘汰該種類(lèi)型的燈。英國(guó)政府從2003年開(kāi)始就鼓勵(lì)在道路照明中使用白光光源；韓國(guó)首爾從2010年開(kāi)始實(shí)施對(duì)道路照明的改造，將高壓鈉燈全部換成金鹵燈(特別是陶瓷金鹵燈)。2010年在北京舉行的“淘汰低效照明產(chǎn)品國(guó)際研討會(huì)”上，歐盟代表宣布?xì)W盟國(guó)家和英國(guó)將從2012年開(kāi)始在城市道路照明中逐步淘汰高壓鈉燈，首選替代光源即為陶瓷金鹵燈。光源本身可平均節(jié)電40%以上。

在高強(qiáng)度氣體放電燈中，對(duì)比高壓汞燈的光效低、顯色性差、色表差；高壓鈉燈的光效高、顯色性差、色表差，金屬鹵化物燈因兼有高光效和高顯色性的特點(diǎn)，為高強(qiáng)度氣體放電燈中光電性能最好的光源。陶瓷金鹵燈是第三代高強(qiáng)度氣體照明光源(HID)，是一種集石英金鹵燈的良好光色性能和高壓鈉燈優(yōu)秀的發(fā)光效率于一身的光源，是新型高效節(jié)能照明光源之一。一體化陶瓷金鹵燈的系統(tǒng)光效將超過(guò)85lm/W，節(jié)能燈不超過(guò)60lm/W、T5日光燈管不超過(guò)72 lm/W。 陶瓷金鹵燈的優(yōu)勢(shì)是燈具配套比較靈活、可以手動(dòng)調(diào)光，也可以電腦控制調(diào)光。陶瓷金鹵燈由透明氧化鋁陶瓷管、發(fā)光物質(zhì)、汞、Ar-Kr85和電極、焊料等構(gòu)成。透明氧化鋁陶瓷管是陶瓷金鹵燈的關(guān)鍵部件。陶瓷金鹵燈光效高、亮度高、顯色指數(shù)高、壽命長(zhǎng)，綜合指數(shù)十分優(yōu)越，是商業(yè)、體育場(chǎng)館、道路等大空間照明的優(yōu)選光源。據(jù)業(yè)內(nèi)人士預(yù)測(cè)，未來(lái)節(jié)能燈、LED燈和陶瓷金鹵燈將三分照明市場(chǎng)，不久將是這三種燈的市場(chǎng)爆發(fā)期。

陶瓷金鹵燈的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用在我國(guó)起步較晚，一則是由于這是一種高技術(shù)被壟斷的產(chǎn)品、產(chǎn)量不多、售價(jià)奇貴，人們常常不敢問(wèn)津。由于這種燈生產(chǎn)技術(shù)要求很高、裝備復(fù)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(guó)的發(fā)展。

近年來(lái)，陶瓷金鹵燈在歐美已逐步普及，我國(guó)的應(yīng)用也開(kāi)始擴(kuò)大，很多照明界的科技人員和企業(yè)家已把注意力集中到這一產(chǎn)品上。然而由于這確實(shí)是一種技術(shù)難度很大的產(chǎn)品，與我國(guó)當(dāng)前的技術(shù)與裝備水平有較大差距，對(duì)原輔材料和工藝的了解不多，一些開(kāi)拓者也常常只是套用高壓鈉燈裝備、材料和技術(shù)來(lái)制造陶瓷金鹵燈，因而其產(chǎn)品的性能參數(shù)和壽命很難達(dá)到應(yīng)有水平。事實(shí)上不只我國(guó)企業(yè)，甚至某些最著名的大型跨國(guó)公司的產(chǎn)品也仍存在不少問(wèn)題、甚至嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題，由此可以說(shuō)明其質(zhì)量與技術(shù)確實(shí)不易掌控。據(jù)了解，發(fā)改委把綠色照明定為重點(diǎn)節(jié)能項(xiàng)目,同時(shí)我國(guó)綠色照明工程實(shí)施中,目前僅推廣節(jié)能燈(LED替代)及高壓鈉氣燈(陶瓷金鹵燈替代)、《中國(guó)中長(zhǎng)期節(jié)能規(guī)劃綱要》中把陶瓷金鹵燈列為新技術(shù)推廣中的首選光源，這一系列政策的實(shí)施表明陶瓷金鹵燈(CMH)成為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的主力軍。

2陶瓷金鹵燈中金屬鹵化物的循環(huán)原理

電光源技術(shù)領(lǐng)域,具體為一種陶瓷金屬鹵化物燈的電弧管結(jié)構(gòu),其放電腔由直管型多晶氧化鋁陶瓷管和兩端的陶瓷塞整體燒結(jié)而成。陶瓷塞伸入放電腔的頂端內(nèi)側(cè)部份呈錐狀或圓錐狀,可起到提高光效和顯色指數(shù)的作用;陶瓷塞的后端部分通過(guò)圓錐過(guò)渡筒連接有一個(gè)中間有小孔的細(xì)管,伸入細(xì)管中的一對(duì)電極通過(guò)玻璃焊料的方式實(shí)現(xiàn)和陶瓷腔體的氣密封接。放電腔內(nèi)填充有啟動(dòng)氣體、汞和根據(jù)不同光譜要求的若干種金屬鹵化物。金屬鹵化物燈，其光電性能明顯優(yōu)于石英金屬鹵化物燈，特別適用于中大功率陶瓷金屬鹵化物燈的生產(chǎn)。

金屬鹵化物燈內(nèi)充有少量金屬鹵化物和氣體,從觸發(fā)到正常發(fā)光需一分多鐘,大致分為三階段：觸發(fā)階段，金屬鹵化物燈內(nèi)無(wú)燈絲,只有兩個(gè)電極,直接加上工作電壓不能點(diǎn)燃,必須先加高壓使燈內(nèi)氣體電離.高壓由專(zhuān)用觸發(fā)器產(chǎn)生；著火階段，燈泡觸發(fā)后,電極的放電電壓進(jìn)一步加熱電極,形成輝光放電,并為弧光放電創(chuàng)造條件；正常發(fā)光階段，在輝光放電的作用下,電極溫度越來(lái)越高,發(fā)射的電子數(shù)量越來(lái)越多,迅速過(guò)渡到弧光放電.隨著溫度進(jìn)一步升高,燈的發(fā)光越來(lái)越強(qiáng)直到正常,全部過(guò)程需一分多鐘,如果啟動(dòng)電流大,電源啟動(dòng)性能好,此過(guò)程可短些。 鹵化物一般可以分為離子型鹵化物和分子型(共價(jià)鍵)鹵化物(其中有些過(guò)渡情況。)鹵化物的結(jié)構(gòu)一般有如下特點(diǎn)：堿金屬元素(鋰除外)，堿土金屬元素(鈹除外)，大多數(shù)鑭系元素和某些低氧化態(tài)的 d組區(qū)元素，和錒系元素的鹵化物可以認(rèn)為是離子型為主的化合物。原子的電荷數(shù)與半徑比(電荷/半徑)較大的金屬鹵化物大多是共價(jià)化合物。所有金屬都可以形成鹵化物，如果一種金屬有可變的氧化態(tài)，低氧化態(tài)鹵化物常是離子型的鹵化物，高氧化態(tài)的鹵化物往往是分子型鹵化物，UF4是離子型固體，UF6是分子型氣體；幾乎所有金屬的氟化物都是離子型化合物。鹵離子的大小和變形性在決定鹵化物的性質(zhì)方面亦起重要作用(AlF3是離子型，AlCl3在液態(tài)和固態(tài)時(shí)以雙聚分子Al2Cl6結(jié)構(gòu)存在，AlBr3,AlI3在固態(tài)時(shí)以雙聚分子Al2Br6,Al2I6存在。這是因?yàn)閺?F-到I-離子半徑增大，變形性增大，鋁與鹵素之間的化學(xué)鍵由離子鍵變成了共價(jià)鍵。金屬鹵化物的蒸氣壓一般比金屬自身的蒸氣壓高很多。幾乎所有的金屬鹵化物，在1000K時(shí)的蒸氣壓都大于100Pa。除金屬的氟化物以外，其他金屬鹵化物都不和石英玻璃發(fā)生明顯的化學(xué)作用。

金屬鹵化物燈主要依靠金屬鹵化物作為發(fā)光材料,金屬鹵化物以固體形態(tài)存在燈內(nèi).因此,燈內(nèi)必須充有少量的引燃?xì)怏w氫或氙,以便點(diǎn)燃燈泡.燈點(diǎn)燃后,首先工作在低氣壓弧光放電狀態(tài),此時(shí)燈兩極電壓很低,約18～20V,光輸出也很少,這時(shí)主要產(chǎn)生熱能,使整個(gè)燈體加熱,引入燈中的金屬鹵化物隨溫度升高不斷蒸發(fā),成為金屬鹵化物蒸氣,在熱對(duì)流的作用下,不斷向電弧中心流動(dòng),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(chǎng)的作用下,金屬原子被激發(fā)發(fā)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(chǎng)雙重作用下,直接激發(fā)形成分子發(fā)光。在金屬鹵化物燈中，由于管壁和電弧中心溫度相差很大，金屬鹵化物會(huì)產(chǎn)生分解和再?gòu)?fù)合的循環(huán)過(guò)程。該循環(huán)的具體過(guò)程是：在管壁的工作溫度下，金屬鹵化物大量蒸發(fā)，因濃度梯度而向電弧中心擴(kuò)散；在電弧中心的高溫區(qū)域(約 4000～6000K)，金屬鹵化物分子分解為金屬原子和鹵素原子，金屬原子參與放電，并產(chǎn)生輻射；由于電弧中心金屬原子和鹵素原子的濃度較高，因此它們又向著管壁擴(kuò)散，在接近管壁的低溫區(qū)域又重新復(fù)合成金屬鹵化物分子。就這樣，靠著這種循環(huán)，不斷向電弧提供足夠濃度的金屬原子，同時(shí)又避免了金屬在管壁上的沉積。

金鹵燈的主要發(fā)光物質(zhì)是充入的金屬鹵化物，這些金屬鹵化物蒸汽在高溫電弧區(qū)分解形成足夠密度的金屬原子，這些金屬原子在電弧中被電子激發(fā)后產(chǎn)生輻射——發(fā)光。填入燈中的金屬鹵化物的種類(lèi)，比例和填入量由所要求的光譜、色溫、顯色指數(shù)和電弧管尺寸(功率)等參數(shù)確定。大部分金屬鹵化物燈內(nèi)都充汞。但是，汞在這種燈中所起的作用與高壓汞燈中不同。在高壓汞燈中，汞是發(fā)光物質(zhì)；但是在金屬鹵化物燈中，汞的輻射所占的比例卻很小。汞蒸氣壓比金屬鹵化物高很多，而它的輻射反而，這是因?yàn)橥ǔＫ玫慕饘俚募ぐl(fā)電位較低，一般為4V左右，而汞的平均激發(fā)電位為 7.8V，因而受激發(fā)的金屬原子反而比受激的汞原子多，所以金屬光譜的強(qiáng)度遠(yuǎn)超過(guò)汞光譜。通常，燈中金屬鹵化物的蒸氣壓較低，因而電弧中心的金屬原子和鹵素原子向管壁擴(kuò)散并復(fù)合的過(guò)程太快。金屬鹵化物在分解時(shí)要吸收能量，在復(fù)合是又要放出能量，所以分散和復(fù)合的過(guò)程太快，就使電弧中能量的損失增大，燈的光效降低。為解決以上問(wèn)題可在燈內(nèi)充入其他氣體建立高氣壓放電。充入的其他氣體起了阻礙金屬蒸氣和鹵素氣體擴(kuò)散的作用，故稱(chēng)為緩沖氣體。汞的熱導(dǎo)率很小是目前常用的緩沖氣體。氙氣的熱導(dǎo)率也較低,也可作為緩沖氣體。在某種情況下還可采用其他惰性氣體。實(shí)踐證明,用汞作為緩沖氣體,比用氙氣時(shí)光效高。在高壓汞燈中燈的電場(chǎng)強(qiáng)度和管壓都由汞蒸氣壓決定。在金屬鹵化物燈中由于金屬鹵化物的蒸氣壓很低，如果沒(méi)有汞電子的遷移率就很大，因而電場(chǎng)強(qiáng)度和管壓很低。要做大功率燈，燈的電流就必須很大。加入汞以后燈內(nèi)的氣壓大為升高，電場(chǎng)強(qiáng)度和管壓也就相應(yīng)升高。加入汞有利于燈的啟動(dòng)，將充氙和充汞的情況相比，雖然兩者的工作氣壓相近，但在冷態(tài)時(shí)的氣壓相差很大。由于在室溫時(shí)汞的氣壓很低，因此啟動(dòng)要比充氙時(shí)容易很多。另外，在金屬鹵化物燈中，汞還能和鹵素原子生產(chǎn)鹵化汞，減少鹵素原子對(duì)啟動(dòng)造成的不利影響。所以,一般情況下都采用汞作為緩沖氣體。

3陶瓷金鹵燈是一種高技術(shù)產(chǎn)品

20世紀(jì)60年代中期GE首先研發(fā)出半透明陶瓷管，并成功用于高壓鈉燈生產(chǎn)，當(dāng)時(shí)雖然金鹵燈的研發(fā)尚未完成，但已有人試圖將這種半透明陶瓷用之于早期的金鹵燈研發(fā)。80年代初期，金鹵燈已經(jīng)成熟，很多研究者也已發(fā)現(xiàn)石英金鹵燈電弧管殼的諸多缺點(diǎn)并試圖以半透明陶瓷管代替，從而改進(jìn)金鹵燈性能，因此加緊了陶瓷金鹵燈的研發(fā)。90年代中期，陶瓷金鹵燈雖已面世，但很多關(guān)鍵技術(shù)尚未很好解決，性能和壽命亦遠(yuǎn)不如今天的產(chǎn)品，但那時(shí)人們已經(jīng)注意到一些急待解決的內(nèi)在關(guān)鍵問(wèn)題，如陶瓷原料的純度組分、調(diào)配、煉制、成形和燒制工藝。燈管的結(jié)構(gòu)形狀以及非常重要的電極的結(jié)構(gòu)問(wèn)題等均需有革命性改革。此后在所有這些重要方面的研究力度繼續(xù)加大，專(zhuān)題文獻(xiàn)和專(zhuān)利快速增加，新結(jié)構(gòu)新工藝大量涌現(xiàn)，燈的結(jié)構(gòu)形式基本定型，燈的性能和壽命又得到很大提高，使用開(kāi)始迅速普及。

金鹵燈的內(nèi)管泡殼、電極及發(fā)光物(藥丸)的品質(zhì)直接影響燈的壽命期性能和參數(shù)。陶瓷的整個(gè)燒制過(guò)程是十分重要的，這決定了陶瓷的結(jié)晶形態(tài)、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，并影響光的透過(guò)率特別是直線透過(guò)率。燒制不良的產(chǎn)品中會(huì)出現(xiàn)大量微氣泡，微氣孔較多時(shí)直觀的陶瓷透明度將明顯下降，當(dāng)然這時(shí)光的總透過(guò)率也將相應(yīng)降低。陶瓷金鹵燈是一種高技術(shù)產(chǎn)品，燈用材料、制燈裝備、制燈工藝、電弧管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、操作技能等所有環(huán)節(jié)對(duì)做好陶瓷金鹵燈無(wú)一不具有十分重要的意義，任一環(huán)節(jié)稍有疏漏均將功敗垂成。陶瓷金鹵燈以其優(yōu)異性能和高技術(shù)含量而為人重視，其高昂的價(jià)格更使得人們認(rèn)為此種光源只適用于高級(jí)商業(yè)照明，如豪華酒店、賓館、高檔服裝專(zhuān)賣(mài)店、珠寶首飾店、高級(jí)會(huì)議廳等。但是隨著人們對(duì)事物認(rèn)識(shí)的展寬和加深，很多觀點(diǎn)在迅速變化，陶瓷金鹵燈的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展。

陶瓷金鹵燈是當(dāng)前各類(lèi)光源中功能最為完善，性能最為優(yōu)越的燈種，發(fā)光電弧管在設(shè)計(jì)和成型上滿(mǎn)足良好的熱量傳遞，使燈工作時(shí)管壁溫度均勻，從而燈的顏色具有好的一致性；光效高達(dá)110lm/W以上。即使小功率燈亦可達(dá)85lm/W以上；其顯色性通常不低于85，并且很容易達(dá)到95以上；良好的發(fā)光物與相應(yīng)的高純石英管相配合，減少弧管變暗。壽命高達(dá)15000h以上，即使常規(guī)產(chǎn)品也不難達(dá)12000h；燈功率范圍則多在20W～400W之間。一體化泡殼設(shè)計(jì)使燈燃燒無(wú)冷角，無(wú)鈉滲透，發(fā)光物在工作過(guò)程穩(wěn)定，降低損失，提高了光通維持；良好啟動(dòng)性能特別是小功率金鹵燈(70W以下)的啟動(dòng)性能非常關(guān)鍵。最新的內(nèi)管充特殊氣體Kr85技術(shù)使燈的壽命期啟動(dòng)性能得以大大改善。

由于此種燈目前只在歐美市場(chǎng)大面積推廣，按用戶(hù)需要色溫多在4000K以下，通常不會(huì)超過(guò)5000K，如在亞洲得到普及，亞洲人種可能更喜愛(ài)較高色溫，那時(shí)色溫范圍可能擴(kuò)展為3000K～6000K。陶瓷金鹵燈是在高壓鈉燈和石英金鹵燈的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，然而其用途已遠(yuǎn)超二者。其高顯色性使之可以大量取代白熾燈和鹵素?zé)簦貏e是小功率類(lèi)型如20W,35W(39W),50W,70W等亦已廣泛用于室內(nèi)甚至家庭照明。而中功率燈種由于其高顯色性、高光效和長(zhǎng)壽命，雖成本較高但亦已較廣泛用于室內(nèi)外。陶瓷金鹵燈的應(yīng)用范圍很廣，如商店照明、展示照明、商業(yè)街道照明、廣告牌照明等，由于其光通量大，具有鹵鎢燈和白熾燈優(yōu)秀的光色性能，能夠創(chuàng)造出最佳的照明效果，其卓越的顯色性和光色的穩(wěn)定性能夠?qū)⒈徽瘴矬w的自然本色以最好的狀態(tài)顯示出來(lái)，所以陶瓷金鹵燈尤其適合用在商場(chǎng)照明。金屬鹵化物燈作為擁有高光效、發(fā)出豐富譜線、長(zhǎng)壽命等眾多優(yōu)點(diǎn)的光源，目前已廣泛用于各室內(nèi)外場(chǎng)所、工廠照明、商業(yè)照明、道路、光伏照明等，市場(chǎng)需求量不斷增長(zhǎng)。例如機(jī)場(chǎng)、車(chē)站、商場(chǎng)、旅店大堂、餐廳等，在歐洲處處可以看到陶瓷金鹵燈的使用。目前陶瓷金鹵燈的生產(chǎn)和使用主要集中在歐洲及北美洲，世界陶瓷金鹵燈產(chǎn)量正以每年30%以上的速度增加，但仍有供不應(yīng)求之勢(shì)。

4光效、顯色性和壽命使陶瓷金鹵燈成為節(jié)能主力

陶瓷金鹵燈是目前為止人造光源中性能最佳、節(jié)能效果、照明效果最好的光源品種,光通量是節(jié)能燈的7～8倍,是白熾燈的15倍,而節(jié)能燈的光通量是普通燈泡的7～8倍,顯色指數(shù)高達(dá)90%以上,是在國(guó)際社會(huì)、國(guó)家產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向倡導(dǎo)推廣節(jié)能的高效節(jié)能的綠色照明光源新品種,在歐美及日本等先進(jìn)的國(guó)家得到了迅速推廣。陶瓷金鹵燈能夠做到10W,20W，是可以進(jìn)入家庭照明的小功率光源，所以陶瓷金鹵燈的應(yīng)用和使用范圍幾乎涵蓋各種照明領(lǐng)域。

目前，由于全球面臨著能源危機(jī)問(wèn)題，所以人們非常重視有效地利用能源，在照明行業(yè)也是一樣，近年來(lái)所提出的綠色照明概念就是為了響應(yīng)有效利用能源而提出的。所以，盡管鹵鎢燈和白熾燈具有優(yōu)秀的顯色性，但是其在燃點(diǎn)過(guò)程中熱能散失嚴(yán)重、壽命較短，顯然不是一種理想的綠色照明產(chǎn)品。而陶瓷金鹵燈的高光效可以更有效地提高能源利用，降低業(yè)主使用成本，其光效比鹵鎢燈、白熾燈提高了四到九倍，而同時(shí)在光色性能上，又遠(yuǎn)遠(yuǎn)地好于石英金鹵燈，是一種集優(yōu)秀的光色性能和高發(fā)光效率于一身的新型光源。

陶瓷金鹵燈是以固體金屬鹵化物的多晶氧化鋁陶瓷制造的電弧管內(nèi)，制作時(shí)陶瓷管充有一定量的氫氣和一定量的氙氣，這樣才可以在外接相配置整流器，觸發(fā)器的工作下金鹵燈才可以燃亮。燈點(diǎn)燃后先是以低壓工作產(chǎn)生弧光放電狀態(tài)，此時(shí)燈兩極電壓很低，只輸出可見(jiàn)光，隨著電流的不斷流動(dòng)這時(shí)主要產(chǎn)生暖能，使整個(gè)燈體加熱，引入電弧管中的金屬鹵化物隨溫度升高不斷蒸發(fā)，成為金屬鹵化物蒸氣，在熱對(duì)流的作用下，反復(fù)的熱沖擊電弧管，一部分金屬鹵化物被電弧高溫分解，成為金屬原子和鹵素原子，在電場(chǎng)的作用下，金屬原子被激發(fā)發(fā)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(chǎng)雙重作用下，直接激發(fā)形成分子發(fā)光。最終電弧管內(nèi)氣壓可達(dá)幾十個(gè)大氣壓，電弧由低壓弧光放電轉(zhuǎn)為高壓弧光放電，兩端電壓由18～20V上升并逐漸穩(wěn)定到100V左右，從而進(jìn)入正常發(fā)光狀態(tài)。

陶瓷金鹵燈具有3000K和4200K兩種色溫可供選擇，光源顯色性好顯色性的好壞還和電弧管的管壁溫度有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，管壁溫度越是高，其顯色性也越好。陶瓷金鹵燈的電弧管管壁溫度可以達(dá)到1150度，而石英金鹵燈的電弧管管壁溫度只能達(dá)到800度左右，而管壁溫度的高低同色溫差成反比，所以其最終的色溫差也要大于陶瓷金鹵燈。所以陶瓷金鹵燈的顯色性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于石英金鹵燈。而同時(shí)，管壁溫度還影響者光源的色溫差。

一般而言，小功率石英金鹵燈的壽命在6000～9000h，而陶瓷金鹵燈由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，所以其壽命可以達(dá)到9000～15000h，比傳統(tǒng)的石英金鹵燈提高了30%～50%。壽命期間色溫穩(wěn)定性能好 (在+/-200K之間)，并且光源之間的色溫一致性更好。陶瓷金鹵燈從點(diǎn)燃起，直到壽命終結(jié)，其色溫變化在200K之內(nèi)，而一般石英金鹵燈在壽命期間的色溫變化要大于600K，所以陶瓷金鹵燈解決了石英金鹵燈的色差和色溫的漂移問(wèn)題。

常見(jiàn)光源的流明輸出會(huì)隨著時(shí)間而衰退，陶瓷金鹵燈的流明輸出在小功率的金鹵燈中是最高的，在壽命初期的流明輸出就比一般的石英金鹵燈要高10%～20%，更重要的是它能一直維持這樣水準(zhǔn)的光源輸出直到壽命結(jié)束。陶瓷金鹵燈的流明維持率在80%以上，而石英金鹵燈則是60%～65%，而且其光衰較快;陶瓷金鹵燈能兼容現(xiàn)石英金鹵燈的燈具和電器，易于推廣和應(yīng)用。而且由于其發(fā)光體更小，有利于燈具的設(shè)計(jì)，對(duì)燈光的控制就更方便。

陶瓷金鹵燈是多晶氧化鋁陶瓷制造電弧管管殼，這種陶瓷是一種半透明材料，其實(shí)他的透光率高達(dá)96%～98%，超過(guò)玻璃和石英，但由于直線透光率不超過(guò)30%，所以就成了半透明了。這種陶瓷材料能承受比石英高200℃以上的高溫，制成電弧管后正常運(yùn)轉(zhuǎn)溫度可以高達(dá)1200℃，加以其導(dǎo)熱率較高，電弧管本身溫度分布較為均勻，即使冷端也在900℃以上，因此充入其中的金屬鹵化物能充分蒸發(fā)，這是陶瓷金鹵燈的光效和顯色指數(shù)高而穩(wěn)定的原因。陶瓷泡殼的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性很高，與充入電弧管的材料不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，又不存在鈉滲漏問(wèn)題，因此燈性能穩(wěn)定、光衰小、壽命長(zhǎng)。目前市場(chǎng)上普遍使用的是用石英作為放電管材料的石英金鹵燈，由于石英材料的結(jié)晶溫度特性和高溫化學(xué)的不穩(wěn)定性，使石英金鹵燈中的石英材料的工作溫度限制了電弧管內(nèi)的有效蒸汽壓，光效和顯色性也因此受限，進(jìn)而產(chǎn)生了相對(duì)較差的流明維持率、壽命期間光色會(huì)改變等缺點(diǎn)。而利用半透明(透過(guò)率≥97%)陶瓷作為放電管材料的陶瓷金鹵燈，不僅可克服石英金鹵燈存在的不足，而且集高壓鈉燈和石英金鹵燈的優(yōu)點(diǎn)于一身：發(fā)光效率比石英金鹵燈提高15%～20%，不考慮中間視覺(jué)關(guān)系，150W以下規(guī)格的光效高于同功率的高壓鈉燈；顯色性比石英金鹵燈提高8～10；光維持性更好，啟動(dòng)要求穩(wěn)定，壽命更長(zhǎng)；色差少，色溫漂移小。由此可見(jiàn)，與石英金鹵燈相比，陶瓷金鹵燈的發(fā)光效率更高，顯色性更好，壽命更長(zhǎng)。長(zhǎng)壽命意味著消耗更少的制作材料。材料的生產(chǎn)是要耗能的，材料的資源是有限的，因此，推廣使用陶瓷金鹵燈，對(duì)國(guó)家的節(jié)能減排和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展政策具有重要意義。

5高顯色性使陶瓷金鹵燈成為道路照明的最佳光源

金屬鹵化物燈主要依靠金屬鹵化物作為發(fā)光材料，金屬鹵化物以固體形態(tài)存在燈內(nèi)。因此，燈內(nèi)必須充有少量的引燃?xì)怏w氫或氙，以便點(diǎn)燃燈泡。燈點(diǎn)燃后，首先工作在低氣壓弧光放電狀態(tài),此時(shí)燈兩極電壓很低,約18～20V,光輸出也很少,這時(shí)主要產(chǎn)生熱能,使整個(gè)燈體加熱，引入燈中的金屬鹵化物隨溫度升高不斷蒸發(fā)，成為金屬鹵化物蒸氣，在熱對(duì)流的作用下,不斷向電弧中心流動(dòng),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(chǎng)的作用下，金屬原子被激發(fā)發(fā)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(chǎng)雙重作用下，直接激發(fā)形成分子發(fā)光。由于各種金屬鹵化物蒸發(fā)溫度不同，因此，這些粒子陸續(xù)蒸發(fā)參與發(fā)光，所以有不同的原子光譜相繼出現(xiàn)，隨著溫度的逐漸升高，電弧中金屬原子密度逐漸增加，產(chǎn)生共振吸收，原子特征光譜逐漸減弱直至消失，并向長(zhǎng)波段擴(kuò)展，由于燈溫進(jìn)一步提高并建立熱平衡，于是全部金屬鹵化物蒸發(fā)，分子光譜隨之出現(xiàn)，光色及亮度也趨于穩(wěn)定，燈內(nèi)氣壓可達(dá)幾十個(gè)大氣壓，燈內(nèi)電弧由低壓弧光放電轉(zhuǎn)為高壓弧光放電，燈兩端電壓由18～20V上升并逐漸穩(wěn)定到100V左右，進(jìn)入正常發(fā)光狀態(tài)。

高顯色性類(lèi)(Ra≥80)。陶瓷金鹵燈主要有830和942系列，顯色指數(shù)分別≥80和90，用于如商場(chǎng)、專(zhuān)賣(mài)店、機(jī)場(chǎng)和現(xiàn)代化廠房等室內(nèi)高顯色照明場(chǎng)合。該陶瓷金鹵燈由于其光效和顯色指數(shù)都高于熒光燈系列光源(包括無(wú)極熒光燈)和高壓鈉燈，具有節(jié)能、提高產(chǎn)品質(zhì)量和減少生產(chǎn)事故等效果。據(jù)了解，由于其良好的照明質(zhì)量，最近10年來(lái)金鹵燈中高顯色性類(lèi)的構(gòu)成比從33%增加到了55%，而其中70%為陶瓷金鹵燈，年增長(zhǎng)率高于37%。

高光效類(lèi)陶瓷金鹵燈主要有728系列。該類(lèi)燈主要用于城市道路照明等對(duì)顯色性要求不那么高的場(chǎng)合，但利用中間視覺(jué)原理可比使用高壓鈉燈更節(jié)能。

中間視覺(jué)的研究是國(guó)際照明界的重大成果。國(guó)際照明委員會(huì)從1983年開(kāi)始至今，成立了專(zhuān)門(mén)的技術(shù)研究委員會(huì)，研究結(jié)果表明不同環(huán)境亮度背景條件下，人眼對(duì)不同波長(zhǎng)可見(jiàn)光的敏感度不同，因此，光源的發(fā)光效率計(jì)算中的輻射量和光度量之間的比例系數(shù)Km也不同，在道路照明的中間視覺(jué)條件下，高壓鈉燈的有效光效會(huì)大幅度下降，而金鹵燈的有效光效由于含有較多的短波長(zhǎng)光譜而增大1.7倍，即在道路照明中，高壓鈉燈的有效光效低于金鹵燈。

根據(jù)資料顯示，在夜間道路照明中，金鹵燈的光通量利用率是高壓鈉燈的4～8倍。因此，道路照明的最佳光源應(yīng)是金鹵燈，該燈既可提高照明質(zhì)量，又能實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

自從陶瓷金屬鹵化物燈上市以來(lái)，其產(chǎn)品種類(lèi)不斷擴(kuò)展，應(yīng)用范圍也不斷延伸。由于其無(wú)與倫比的光源性能，人們希望能夠?qū)⑵鋺?yīng)用領(lǐng)域繼續(xù)拓展，所以陶瓷金鹵燈正向中高功率和更小功率兩個(gè)方向發(fā)展。中高功率的陶瓷金鹵燈可以應(yīng)用在工業(yè)照明和體育場(chǎng)館照明等領(lǐng)域。而更小功率如10W,15W,20W的陶瓷金鹵燈，則可以應(yīng)用在汽車(chē)燈、家居照明中。目前，250W和400W的陶瓷金鹵燈已經(jīng)在國(guó)外市場(chǎng)出現(xiàn)，其性能和質(zhì)量還在不斷改善及提高中，該產(chǎn)品發(fā)展中最關(guān)鍵的技術(shù)是對(duì)于陶瓷管殼制造技術(shù)的開(kāi)發(fā)。最早投入市場(chǎng)的小功率燈的管殼是采用擠壓成型法制成尺寸精度高的陶瓷零件組合而成?，F(xiàn)在飛利浦對(duì)陶瓷管的制造工藝進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，以減少陶瓷管的零件數(shù)，讓其管殼形狀更符合放電電弧的形狀，得到放電體內(nèi)均勻的溫度分布，進(jìn)一步提高陶瓷金鹵燈的性能。在陶瓷管成型技術(shù)不斷完善和成熟的基礎(chǔ)上，小功率、中功率到大功率的整個(gè)系列產(chǎn)品將會(huì)很快面世，使得相應(yīng)的照明設(shè)計(jì)和應(yīng)用范圍愈趨廣泛，真正地成為人類(lèi)的智慧之光。

6結(jié)束語(yǔ)

金屬鹵化物燈是一種高技術(shù)含量高附加值的第三代節(jié)能光源，是現(xiàn)今性能比較優(yōu)異、性?xún)r(jià)比較高的新型光源，其優(yōu)異性能使之以比當(dāng)前所有光源更佳的效果、取代該種光源而應(yīng)用于幾乎所有場(chǎng)合，并在節(jié)能減排和營(yíng)造更宜人的光環(huán)境方面作出巨大貢獻(xiàn)。近年來(lái)金屬鹵化物燈的的蓬勃發(fā)展代表了電光源新技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),順應(yīng)了當(dāng)今世界對(duì)節(jié)能電光源產(chǎn)品的要求。國(guó)內(nèi)廠家憑借先進(jìn)技術(shù)和不懈努力，研發(fā)出各種規(guī)格陶瓷金鹵燈光源，產(chǎn)品穩(wěn)定，贏得了照明市場(chǎng)。大力開(kāi)發(fā)推廣陶瓷金鹵燈的生產(chǎn)和應(yīng)用應(yīng)成為當(dāng)前努力的重點(diǎn)，有關(guān)政府部門(mén)及相關(guān)企業(yè)事業(yè)單位亦宜以此為重點(diǎn)組織有關(guān)力量進(jìn)行配套推廣，這樣可以使得陶瓷金鹵燈的生產(chǎn)迅速擴(kuò)大、成本下降，從而更有利于推廣普及，對(duì)我國(guó)的節(jié)能減排作出更大貢獻(xiàn)。

The Meteoric Rise of Ceramic Metal Halide Lamp Explore the Secret

Xiao Jiumei

(Hubei wuhan jiang chemical materials company,Wuhan 430055)

Abstract:Metal halide lamp, metal halide lamp is a kind of more advanced light source, long life, high light efficiency, good color rendering. And LVD electrodeless lamp performance is similar, but different light source. Ceramic metal halide lamp its excellent performance such as high photosynthetic efficiency, high color rendering and long life has the identity for people, thus brought to the attention of the lighting industry. For energy conservation and emissions reduction is the biggest advantage of ceramic metal halide lamp and window, analyzes the circulation principle of the ceramic metal halide lamp, metal halide, discusses the ceramic metal halide lamp is a kind of high technology products, this paper expounds the luminous efficacy and color rendering and longevity makes ceramic metal halide lamp and energy saving, points out the high color rendering make ceramic metal halide lamp is the best source of road lighting.

Keywords:ceramic metal; halide lamp; high technology products; the best light

doi:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2015.03.009