CN101114567B - 陶瓷荧光灯电极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种陶瓷荧光灯电极(阴极)，该电极采用陶瓷工艺，以常规电极为电极支架，在电极支架外面覆盖有一层半导体陶瓷，所述陶瓷内含有电子发射材料，陶瓷的表面具有一层纳米金属层，该金属层是在陶瓷烧结过程中，通过金属蒸汽吸附并烧结在陶瓷表面形成。采用本发明电极的荧光灯使用寿命达3万小时，是目前荧光灯的4～6倍，光通量达94.71m/W，并且均为可见光，相同亮度下比现有荧光灯节电43～47％。

Description

陶瓷荧光灯电极及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种电极，具体地说是一种节能灯电极(阴极)，本发明还涉及该电极的制备方法。

背景技术

荧光灯是现在最重要的人造光源，在全世界广泛被使用，尤其在工业和商业照明领域。其高效能、良好的光输出、光输出的持久性、颜色的多样性以及较长的使用寿命使之成为上述照明领域中的理想选择。据估计全世界人造光源所发出光的总量中，大约其中80％的比例是荧光灯所发出的。可以说，荧光灯的质量与千家万户的生活息息相关。

荧光灯目前市场上销售和使用的各种照明灯具中使用的荧光灯(管，下面均称为荧光灯)，多为钨丝制成的电极制成的荧光灯。这种电极是荧光灯电极传导电能进入放电灯并提供维持电流的电子。由于要求在高温下工作，因此电极所用材料必须有低蒸气压，不仅要确保其本身的寿命，而且要阻止灯本身的过度污染。这种污染以端部发黑(沉积)或不需要的灯气压改变的形式出现。此外，被选中的材料必须有足够的机械强度、抗碰撞性，如果需要的话，还要有足够的延展性以允许复杂电极几何外形的制造。到目前为止，钨是最主要用作电极的材料，在温度超过2000℃时，钨是丰富的电子发射体，但是在许多灯中，这样高的温度是无法被接受的，因此一般电极都采用发射材料来加强电子发射，它通常是将某种氧化物涂敷在电极上或组装时放入电极内的形式出现的。因为电子能够逃离阴极的可能几率指数依赖于它的温度Tc(K)以及表面的障碍因素，即所谓的功函数，而高温度和低功函数有助于发射电子。

对于阴极寿命来说，启动期间是最关键的。目前阴极上电子粉的最佳工作温度是900℃，此时电子粉发射能力的电子较强，在阴极达到热发射所需的足够热的程度之前，阴极表面电场升得非常高，这样高电场会使离子向阴极加速飞去，并以很高的能量撞击阴极，在这个过程中，发生溅射(离子碰撞导致原子发射)。在这个过程中的发射材料的损失可能会影响荧光灯的寿命。在荧光灯中，一般要预热阴极令电子可以热发射，从而减少溅射效应。蒸发和溅射这两个物理过程是影响荧光灯电极寿命的最重要因素，当在灯管内充以惰性气体且气体密度又较大时，这种现象危害的程度就会大大减弱。然而，尽管如此，目前普通荧光灯电极的寿命也仅为5000～8000小时。

光源在单位时间内发出的光亮总和称为光源的光通量。光源所发出的光能是向所有方向辐射的，对于在单位时间里通过某一面积的光能，称为通过这一面积的辐射能通量。各色光的频率不同，眼睛对各色光的敏感度也有所不同，即使各色光的辐射能通量相等，在视觉上并不能产生相同的明亮程度，在各色光中，黄、绿色光能激起最大的明亮感觉。如果用绿色光作水准，令它的光通量等于辐射能通量，则对其它色光来说，激起明亮感觉的本领比绿色光为小，光通量也小于辐射能通量。光通量的单位是流明，是英文lumen的音译，简写为lm。绝对黑体在铂的凝固温度下，从5.305*10³cm²面积上辐射出来的光通量为1lm。为表明光强和光通量的关系，发光强度为1坎德拉的点光源在单位立体角(1球面度)内发出的光通量为1流明。例如：一只40W的普通白织灯的光通量为350---470lm，而一只40W的普通直管形荧光灯的光通量为2500lm左右，为白织灯的5～6倍。同等功率光通量的大小体现了节能灯的效率，光通量越大，其节能效果越好。然而，进一步大幅提高同等功率下的光通量已经遇到瓶颈，因此，急需一种新技术的产生。

发明内容

本发明的目的在于针对上述不足提供一种能耗低、光通量大、寿命长的陶瓷荧光灯电极。

本发明的荧光灯电极是以常规阴极为电极支架，在电极支架外面覆盖有一层半导体陶瓷，所述陶瓷内含有电子发射材料，陶瓷的表面具有一层纳米金属层，其可以增强电子的发射能力，所述的金属层为钼、镍混合金属层。所述纳米金属层是陶瓷烧结的过程中，通过金属蒸汽吸附并烧结在陶瓷表面形成，即陶瓷表面包括能够接触到金属蒸汽的每个微孔均形成一层金属层。

本发明的陶瓷荧光灯电极，其通过如下方法制备获得：

1)制备电极支架；

2)在电极支架上喷涂上陶瓷粉浆层，所述陶瓷粉浆由下列重量份的材料制成：

陶瓷粉     30～90

碱土金属   0.5～9

稀土金属   0.3～7

二氧化锆   0.5～3

硝棉       0.1～1

电子粉     2～30

其中，在碱土金属中镁占10～90％，在稀土金属中镧占10～90％，将上述材料用适量的溶剂调制成陶瓷粉浆；

3)高温烧结固化，在烧结固化时将镍和钼同时焙烧。

上述步骤1)中所述的电极支架可以是目前的常规电极(不含外层的电子粉)，例如可以用钼丝制成的单丝双螺旋或三螺旋，也可以用一根钼丝与几根钨丝共同缠绕成缆索式三螺旋，或者采用主辅丝式二螺旋或三螺旋。本发明优选的是以一根或两根钼丝为基丝，在基丝外缠绕几根钨丝制成的电极支架，并且可以将钨丝首先缠绕成一股，再缠绕在钼丝外。

上述步骤2)中的溶剂是为了将陶瓷材料调制成陶瓷粉浆，这些溶剂应当在陶瓷烧结过程中挥发掉，可以用一些有机溶剂，例如乙酸丁酯、甲醇、丙醇，这些溶剂容易挥发，最终均可除去，不产生残留，不影响陶瓷荧光灯电极最终的性能。

例如可用由下列体积百分比成分组成的溶剂：

乙酸丁酯       35～45％

草酸丁酯       10～20％

甲醇           40～50％

将上述陶瓷材料与溶剂调制成陶瓷粉浆，陶瓷粉浆的黏度可根据需要进行调制，例如需要形成较厚的陶瓷时可以将陶瓷粉浆的黏度增大一些，需要形成较薄的陶瓷时可以将陶瓷粉浆调制得稀薄一些。上述材料和溶剂可按照重量体积比为1:1～2进行配制，优选按照1：1.2～1.7进行配制，更优选为1：1.62。

上述的陶瓷粉浆优选的可以由下列重量份的材料制成：

陶瓷粉      50～70

碱土金属    1.5～4

稀土金属    1～3

二氧化锆    1.5～1.7

硝棉        0.2～0.8

电子粉      10～17。

上述陶瓷粉可以由下述重量百分比的成分组成：氧化铝75～90％、氧化钡3～15％、氧化锶3～15％、氧化钙3～15％。由上述组成烧制的陶瓷具有较好的强度，然而需要说明的是，作为陶瓷领域的技术人员很容易想到通过其他成分进行替换，得到较好强度和韧性的陶瓷，这些均属于本发明的保护范围。

上述步骤3)烧结固化的方法是：首先在55～65℃加热15～30分钟，同时抽真空；然后升温到650～750℃，停止抽真空，并通入保护气体，保温20～40分钟；最后升温到1200～1400℃，保温30～80分钟，然后冷却，冷却至150度即可解除气体保护。所述的保护气体可以是氢气。优选地，步骤3)烧结固化的方法是：首先在55～65℃加热15～30分钟，同时抽真空；然后升温到650～750℃，停止抽真空，用氢气作保护，保温20～40分钟；换用氮气作保护，最后升温到1300～1400℃，保温30～80分钟，然后冷却。

本发明所述的碱土金属为铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)或镭(Ra)中的一种或多种。优选为镁及钙、锶或钡中的一种或多种。

稀土金属(rare earth metals)又称稀土元素，是元素周期表IIIB族中钪、钇、镧系17种元素的总称，常用R或RE表示。

本发明所述的稀土金属为钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)或镥(Lu)中的一种或多种。优选为镧以及钇、铈、镨、钷、钐、钆、铒、镱或镥中的一种或多种，更优选为镧以及钇、铈、镨、铒或镱中的一种或多种。

本发明所述的指电子发射材料，包括氧化钡、氧化锶、氧化钙的组合，以及电子粉，所述电子粉是指目前国内常用的三元碳酸盐(碳酸钡、碳酸锶和碳酸钙)。

本发明采用陶瓷作为载体，将电子发射材料包埋在其中，陶瓷是永久性材料，耐高温、强度好、耐冲击、不易碎、不剥落，此外，采用陶瓷做载体，其电子储量大，耐用。并且陶瓷致密度好，导热性能好，因此在较低的电压(160V或更低)和温度(400～480℃)下即可启动发射出电子，这样可以显著降低阴极溅射，提高使用寿命。而常规电极由于电子粉敷在上面，导热差，启动温度高(900℃)。此外陶瓷还具备吸附的功能，溅射出去的原子部分还可以返回到陶瓷中，因而可以进一步降低阴极溅射的损耗。本发明电极的使用寿命达3万小时，是普通荧光灯的4～6倍。

并且，电子的发射量可以通过材料进行调节，与普通荧光灯启动后电子100％发射不同，本发明的电子发射不是完全发射，通过调节，可以将电子的发射量控制在刚好利用完的状态，因此，光源纯净，近100％为可见光。本发明荧光灯28W的亮度可与目前荧光灯40W的亮度相媲美，并且本发明荧光灯光源更加清澈透亮。与目前的荧光灯相比间接节电可达30％。此外，如前所述由于本发明荧光灯是低温启动，400～480℃即可发射出电子，工作温度低，而目前的荧光灯需要高温启动，工作温度高，因此，即使是在相同功率下，本发明荧光灯亦可节约能耗达13～17％。因此总体节能可达43～47％。

公共照明(指12米高杆马路灯)是采用的450W汞灯(需要整流器，功率为12W)，其具有使用寿命长(2万个小时左右)的优点，而目前的荧光灯由于使用寿命短而无法进行替换，但是汞灯光效差，紫外线、红外线占有70％，灯温高达300度，能耗大。而采用本发明电极的荧光灯只需150W即可取代450W的汞灯，节能达70％，并且清洁无光害。

此外，采用本发明电极的荧光灯相同功率的灯管直径比目前节能灯小2/3，Φ16mm的灯管即可相当于目前荧光灯Φ50mm或Φ40mm的荧光灯使用，节省玻璃60％，节省荧光粉60％。另外，又由于使用寿命又长，在相同使用时间的情况下，普通荧光灯的更换次数是本发明荧光灯的4～6倍，因此，因破损废弃产生的污染仅相当于目前荧光灯的1/12～1/16，大大减少了污染，因而更加环保。此外，采用本发明电极的荧光灯，由于光源近100％为可见光，无光害，更有利于健康。

由上述可知，采用本发明电极的荧光灯具有寿命长、节能、节材、环保等优点。

附图说明

图1为本发明荧光灯电极的结构示意图；

图2为图1灯丝放大后的结构示意图，其中，1为基丝，2为辅丝，3为陶瓷层。

具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。应当理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不能限制本发明的保护范围。

实施例1 陶瓷荧光灯电极

如图1和2所示，本例中电极支架是由一根基丝1和两根辅丝2构成，辅丝2缠绕在基丝1的外面，在电极支架上覆盖有一层半导体陶瓷3。所述陶瓷内含有电子发射材料，陶瓷的表面具有一层镍、钼金属混合层，其具有增强电子的发射能力。

实施例2 陶瓷荧光灯电极的制备

材料

电极支架材料：钼丝(Φ0.2mm)、钨丝(Φ0.1mm)

陶瓷粉：氧化铝450g、氧化钡82g、氧化锶60g、氧化钙12g

碱土金属：镁15g、钙10g、锶10g

稀土金属：镧10g、铈5g、铒5g

二氧化锆15g

硝棉4g

电子粉150g(碳酸钡84g、碳酸锶57g、碳酸钙9g)

溶剂：乙酸丁酯531ml、草酸丁酯199ml、甲醇597ml

方法

1)取3根钨丝制成一股，将其紧密缠绕在两根钼丝上，即得电极支架；

2)将陶瓷粉、碱土金属、稀土金属、二氧化锆、硝棉以及电子粉用溶剂混匀成粉浆；

3)将电极支架蘸上陶瓷粉浆，并放入炉中进行烧结固化，炉中事先置入钼块(或钼粉)和镍块(或镍粉)，其条件如下：首先抽真空，压力不低于10MPa，加热到60℃保温20min；然后升温到700℃，停止抽真空，用氢气作保护，保温30min；换用氮气作保护，最后升温到1370℃，保温60分钟，然后冷却，冷却至150度取出。

采用上述电极制备成40W直管荧光灯，经检测，其在160V电压下即可启动，启动温度为400℃，光通量94.7lm/W，可见光99.8％，使用寿命可达3万小时。

实施例3 陶瓷荧光灯电极的制备

材料

电极支架材料：钼丝(Φ0.1mm)、钨丝(Φ0.1mm)

陶瓷粉：氧化铝675g、氧化钡135g、氧化锶63g、氧化钙27g

碱土金属：镁30g、铍10g、锶10g、钙10g、钡10g

稀土金属：镧30g、钇5g、镨5g、镱5g

二氧化锆30g

硝棉10g

电子粉200g(碳酸钡112g、碳酸锶76g、碳酸钙12g)

溶剂：乙酸丁酯527ml、草酸丁酯226ml、乙醇753ml

方法

1)取2根钨丝缠绕成一股，将其紧密缠绕在钼丝上，即得电极支架；

2)将陶瓷粉、碱土金属、稀土金属、二氧化锆、硝棉以及电子粉用溶剂混匀成粉浆；

3)将电极支架蘸上陶瓷粉浆，并放入炉中进行烧结固化，炉中事先置入钼块(或钼粉)和镍块(或镍粉)，其条件如下：首先抽真空，压力为12MPa，加热到65℃保温15min；然后升温到750℃，停止抽真空，并通入保护气体氢气，保温20min；换用氮气作保护，最后升温到1200℃，保温80分钟，然后冷却，冷却至150度取出。

采用上述电极制备成28W直管荧光灯，经检测，其在160V电压下即可启动，启动温度为460℃，光通量92.5lm/W，可见光99.7％，使用寿命可达3万小时。

实施例4 陶瓷荧光灯电极的制备

材料

电极支架材料：钼丝(Φ0.2mm)、钨丝(Φ0.1mm)

陶瓷粉：氧化铝225g、氧化钡9g、氧化锶21g、氧化钙45g

碱土金属：镁0.2g、钡2g、锶1.8g、钙1g

稀土金属：镧1g、铒1g、铈1g

二氧化锆5g

硝棉1g

电子粉100g(碳酸钡56g、碳酸锶38g、碳酸钙6g)

溶剂：乙酸丁酯317ml、草酸丁酯70ml、丙醇282ml、蒸馏水100ml

方法

1)取3根钨丝制成三螺旋，将其紧密缠绕在钼丝上，即得电极支架；

2)将陶瓷粉、碱土金属、稀土金属、二氧化锆、硝棉以及电子粉用溶剂混匀成粉浆；

3)将电极支架喷涂上陶瓷粉浆，并放入炉中进行烧结固化，炉中事先置入钼块(或钼粉)和镍块(或镍粉)，其条件如下：首先抽真空，压力为11MPa，加热到55℃保温30min；然后升温到650℃，停止抽真空，并通入保护气体氢气，保温40min；换用氮气作保护，最后升温到1400℃，保温30分钟，然后冷却，冷却至150度取出。

采用上述电极制备成28W直管荧光灯，经检测，其在160V电压下即可启动，启动温度为480℃，光通量91.3lm/W，可见光99.0％，使用寿命可达3万小时。

实施例5 陶瓷荧光灯电极的制备

材料

电极支架材料：钼丝(Φ.3mm)、钨丝(Φ0.1mm)

陶瓷粉：氧化铝375g、氧化钡50g、氧化锶15g、氧化钙60g

碱土金属：镁13.5g、锶0.5g、钙1g、钡0.5g

稀土金属：镧9g、镨0.2g、铈0.2g、钷0.2g、钐0.2g、钆0.2g二氧化锆15g

硝棉3g

电子粉25g(碳酸钡14g、碳酸锶9.5g、碳酸钙2.5g)

溶剂：乙酸丁酯100ml、丙醇50ml、蒸馏水100ml

方法

1)取3根钨丝制成三螺旋，将其紧密缠绕在钼丝上，即得电极支架；

2)将陶瓷粉、碱土金属、稀土金属、二氧化锆、硝棉以及电子粉用溶剂混匀成粉浆；

3)将电极支架喷涂上陶瓷粉浆，并放入炉中进行烧结固化，炉中事先置入钼块和镍块，其条件如下：首先抽真空，压力为11MPa，加热到56℃保温30min；然后升温到680℃，停止抽真空，并通入保护气体氢气，保温35min；最后升温到1300℃，保温70分钟，然后冷却，冷却至150度即可取出。

采用上述电极制备成40W直管荧光灯，经检测，其在160V电压下即可启动，启动温度为450℃，光通量90.3lm/W，可见光99.5％，使用寿命可达3万小时。

实施例6 陶瓷荧光灯电极的制备

材料

电极支架材料：钼丝(Φ0.2mm)、钨丝(Φ0.1mm)

陶瓷粉：氧化铝525g、氧化钡35g、氧化锶105g、氧化钙35g

碱土金属：镁10g、锶10g、钙10g、钡10g

稀土金属：镧3g、镨7g、铈7g、钆7g、镱6g

二氧化锆17g

硝棉5g

电子粉170g(碳酸钡95.2g、碳酸锶64.6g、碳酸钙10.2g)

溶剂：乙酸丁酯770ml、草酸丁酯385ml、甲醇770ml

方法

1)取3根钨丝制成一股，将其紧密缠绕在钼丝上，即得电极支架；

2)将陶瓷粉、碱土金属、稀土金属、二氧化锆、硝棉以及电子粉用溶剂混匀成粉浆；

3)将电极支架蘸上陶瓷粉浆，并放入炉中进行烧结固化，炉中事先置入钼粉和镍粉，其条件如下：首先抽真空，压力为11MPa，加热到62℃保温25min；然后升温到730℃，停止抽真空，并通入保护气体氢气，保温30min；换用氮气作保护，最后升温到1370℃，保温68分钟，然后冷却，冷却至150度取出。

采用上述电极制备成40W直管荧光灯，经检测，其在160V电压下即可启动，启动温度低于420℃，光通量94.2lm/W，可见光99.8％，使用寿命可达3万小时。

实施例7 陶瓷荧光灯电极的制备

材料

电极支架材料：钼丝(Φ0.2mm)、钨丝(Φ0.1mm)

陶瓷粉：氧化铝525g、氧化钡105g、氧化锶60g、氧化钙10g

碱土金属：镁20g、钡20g

稀土金属：镧21g、铈9g

二氧化锆17g

硝棉5g

电子粉170g(碳酸钡95.2g、碳酸锶64.6g、碳酸钙10.2g)

溶剂：乙酸丁酯770ml、草酸丁酯385ml、甲醇770ml

方法

1)取3根钨丝制成三螺旋，将其紧密缠绕在钼丝上，即得电极支架；

2)将陶瓷粉、碱土金属、稀土金属、二氧化锆、硝棉以及电子粉用溶剂混匀成粉浆；

3)将电极支架蘸上陶瓷粉浆，并放入炉中进行烧结固化，炉中事先置入钼粉和镍粉，其条件如下：首先抽真空，压力为11MPa，加热到62℃保温25min；然后升温到730℃，停止抽真空，并通入保护气体氢气，保温30min；换用氮气作保护，最后升温到1370℃，保温68分钟，然后冷却，冷却至150度取出。

采用上述电极制备成40W直管荧光灯，经检测，其在160V电压下即可启动，启动温度低于420℃，光通量93.2lm/W，可见光99.5％，使用寿命可达3万小时。

Claims (11)

1.陶瓷荧光灯电极，其特征在于，该电极包括导电电极支架，在电极支架外面覆盖有一层半导体陶瓷，所述半导体陶瓷由陶瓷粉浆经烧制而成，内含有电子发射材料，半导体陶瓷的表面具有一层纳米金属层，所述陶瓷粉浆由下列重量份的材料与适当的溶剂制成：

陶瓷粉      30～90

碱土金属    0.5～9

稀土金属    0.3～7

二氧化锆    0.5～3

硝棉        0.1～1

电子粉      2～30

其中，在碱土金属中镁占10～90％，在稀土金属中镧占10～90％。

2.如权利要求1所述的电极，其特征在于所述的纳米金属层为镍、钼混合层。

3.如权利要求1或2所述的电极，其特征在于所述的电极支架是以一根或两根钼丝为基丝，在基丝外缠绕几根钨丝制成。

4.如权利要求3所述的电极，其特征在于，所述的陶瓷粉浆由下列重量份的材料与适当的溶剂制成：

陶瓷粉      50～70

碱土金属    1.5～4

稀土金属    1～3

二氧化锆    1.5～1.7

硝棉        0.1～1

电子粉      10～17。

5.如权利要求4所述的电极，其特征在于，所述陶瓷粉由下列重量的成分组成：氧化铝75～90％、氧化钡3～15％、氧化锶3～15％、氧化钙3～15％。

6.如权利要求3所述的电极，其特征在于，所述的碱土金属为钡、锶和钙中的一种或多种以及镁；

7.如权利要求3所述的电极，其特征在于，所述的稀土金属为钇、铈、镨、钷、钐、钆、铒、镱和镥中的一种或多种以及镧；

8.含有权利要求1～7任一项所述陶瓷荧光灯电极的灯具。

9.一种制备权利要求1～7任一项所述陶瓷荧光灯电极的方法，包括步骤：

1)制备电极支架；

2)制备含有电子粉的陶瓷粉浆，并在电极支架上喷涂上陶瓷粉浆层；

3)高温烧结固化，在烧结固化时将镍和钼同时焙烧。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤3)烧结固化的方法是：首先在55～65℃加热15～30分钟，同时抽真空；然后升温到650～750℃，停止抽真空，并通入保护气体，保温20～40分钟；最后升温到1200～1400℃，保温30～80分钟，然后冷却。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤3)烧结固化的方法是：首先在55～65℃加热15～30分钟，同时抽真空；然后升温到650～750℃，停止抽真空，用氢气作保护，保温20～40分钟；换用氮气作保护，最后升温到1300～1400℃，保温30～80分钟后，冷却。

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