CN101405831A - 引入高温陶瓷复合物和气相用于选择性发射的光源 - Google Patents

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彼得·J·梅希特
维卡斯·米达
威廉·P·明尼尔
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Abstract

一种光源(71，80，90)，其包括：基座(72)；连接在基座(72)上的透光封壳(73，93)；设置在透光封壳(73，93)内的组合物(10)；和容纳在封壳(73，93)内的气相，该气相用于抑制组合物(10)在大于约2000Kelvin的工作温度下的蒸发。组合物(10)包括第一区域(12)和第二区域(14)并且可操作地抑制或反射波长大于约700nm的光子并发射或透射波长为约400nm－约700nm的光子。

Description

引入高温陶瓷复合物和气相用于选择性发射的光源
发明背景
本发明总体上涉及用于选择性发射辐射的陶瓷复合物以及相关光源和系统。
目前可从市场上获得多种类型的照明装置包括白炽灯、放电灯例如高密度放电(HID)灯和荧光灯，以及固态装置例如发光二极管(LED)和有机LED(OLED)。每种装置根据其应用各自具有一定的优点和缺点。
例如，钨丝白炽灯用于室内外照明系统具有众多优点。这些优点包括使用简便、颜色怡人、起动迅速、光度可调以及成本低廉，更不必说非常大的安装基础。然而，由于白炽灯的大量输入能量转变为可见光谱以外的辐射，因而白炽灯往往具有低的能量效率(例如，对于额定电压为120伏(120V)以及额定寿命为750小时的100瓦(100W)的灯，能量效率的量级为17流明每瓦特(LPW))。具体地，供给白炽灯的能量中仅有约百分之九(9％)的能量以可见光形式辐射，其余的能量以余热形式辐射。尽管白炽灯具有许多固有的优点，但如果其效率不能够提高，则其市场份额将不断输给具有效率优势的紧凑型荧光灯，尽管将在颜色、光度可调性以及取得成本方面付出代价。
已提出的一种改善白炽灯效率的可行方法是通过使用光子晶体来改变或者抑制在截止波长以上的热辐射。然而，所提出的所有这种光子晶体设计均受限于包括所用材料和点阵结构以及由此产生的效率在内的一种或多种因素。
例如，在授予Sandia Corporation的美国专利No.6,768,256中(此后称‘256号专利)，描述了一种光子晶体光源，据称该光源产生增强的可见和红外波长光发射(例如提高的光子态密度)。在‘256号专利中，利用交替的钨棒层将光子晶体结构构造成堆叠固有不稳定的木堆(log pile)设计，试图形成光子带隙。尽管报导了增强的光发射，但钨棒之间的间隙在2.8μm(棒宽为1.2μm时)～4.2μm(棒宽为0.85μm时)的范围内。由此导致容许能带的带边出现在大于4μm之处，从而产生极小的效率提高。为了使这种钨棒木堆设计产生适于照明装置如白炽灯的带隙，点阵间隙需为约400nm。然而，在如此小的尺度下，400nm的钨棒在经受一般的白炽环境温度(例如，大于或等于1700Kelvin)仅2小时便会变得极为不稳定。
图1(A-C)示例分别经受300Kelvin、1500Kelvin和1700Kelvin 2小时的400nm钨棒的实例。参考图1(A-C)可容易地看出，随着温度升高，棒中的晶粒尺寸增大接近特征尺寸，从而导致棒变得不稳定。同样地，其他机制例如Raleigh不稳定性可导致圆棒球化为液滴，从而使该结构在高温下不稳定。
因而，尽管现有技术可能提出改善白炽灯效率的方法，但所有此类改善方法均未教导具有合适的尺度且预期在1700Kelvin以上在更长的一段时间内保持稳定的材料和结构组合。
发明内容
根据本发明的一个方面，光源包括：基座；连接在基座上的透光封壳；设置在透光封壳内的组合物；和容纳在封壳内的气相，该气相用于抑制组合物在大于约2000Kelvin的工作温度下的蒸发。所述组合物包括第一区域和第二区域并且可操作地抑制或反射波长大于约700nm的光子并发射或透射波长为约400nm-约700nm的光子。
根据本发明的另一个方面，光源包括：基座；连接在基座上的透光封壳；连接在基座上的基底；涂覆在基底上的涂层；和容纳在封壳中的气相，该气相用于抑制涂层在大于约2000Kelvin的工作温度下的蒸发。所述涂层包括第一区域和分散在第一区域中的第二区域，使第一区域和第二区域保持约100nm-约1000nm的分布周期。此外，所述涂层可操作地抑制或反射波长大于约700nm的光子并发射或透射波长为约400nm-约700nm的光子。
根据本发明的其它方面，光源包括：基座；连接在基座上的透光封壳；连接在基座上的基底；涂覆在基底或透光封壳上的涂层。所述涂层包括第一区域，该第一区域包含选自HfC、NbC、W2C、TaC、ZrC、HfN、Nb2N、Ta2N、ZrN、HfB2、TaB2、ZrB2、W2B、HfO2、ZrO2、C以及其中两种或更多种的组合中的材料。所述涂层还包括分散在第一区域中的第二区域，该第二区域包含气相。
附图说明
参考附图阅读以下详细说明时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优势，在附图中相同的标记始终表示相同的部分，其中：
图1示例经受300Kelvin、1500Kelvin和1700Kelvin的钨棒的实例；
图2示例根据本发明一种实施方案的高温陶瓷复合物的两个对应视图；
图3示意具有蛋白石点阵结构的陶瓷复合物的一种实施方案；
图4示意具有蛋白石点阵结构的陶瓷复合物的替换性实施方案；
图5示意具有反蛋白石点阵结构的陶瓷复合物的一种实施方案；
图6为示例涂层形式的选择性发射陶瓷复合物的一种实施方案的分解图；
图7示例包括根据本发明一种实施方案配置为发射体的陶瓷复合物的白炽灯；
图8示例包括根据本发明另一实施方案配置为滤波体的陶瓷复合物的白炽灯；
图9示例包括配置为滤波体的陶瓷复合物的白炽灯的替换性实施方案；以及
图10为图7所示白炽灯的操作方法的一种实施方案的流程图。
具体实施方式
根据本发明的一种或多种实施方案，在本申请中对组合物、涂层、制品、光源以及相关方法进行说明。在以下说明中，阐述大量具体细节以提供对本发明各种实施方案的全面理解。然而，本领域技术人员应当理解的是，可在没有这些具体细节的情况下实现本发明的实施方案，本发明不限于所述实施方案并且可通过各种替换性实施方案实现。另外，没有对公知的方法、步骤和部分进行详述。
此外，可将各种操作描述为以有助于理解本发明实施方案的方式进行的多个具体步骤。然而，描述的顺序不应解释为暗示这些操作需要以所示顺序进行或者甚至解释为暗示这些操作取决于顺序。此外，反复使用的表达“在一种实施方案中”不必表示同一实施方案，尽管可能是同一实施方案。最后，本申请中使用的术语“包括”、“包含”、“具有”等意义相同并解释为开放式，除非另有规定。
本发明的实施方案包括高温稳定的陶瓷复合材料(此后称为“陶瓷复合物”)，所述陶瓷复合物用于选择性反射相应于至少一种非可见辐射波长(例如紫外和红外)范围的光子和选择性发射或透射相应于至少一种可见辐射波长范围的光子。由于陶瓷复合物选择性发射或透射可见辐射，同时选择性反射另外以余热形式辐射的非可见辐射，因而可使获得相同流明输出所需的功率输入量减少。进而可使引入陶瓷复合材料的系统的效率提高。此外，至少部分地根据形成本文所述陶瓷复合物的复合结构和材料组合，将陶瓷复合物设计为在高温下(如大于约2000Kelvin且优选大于约2300Kelvin)保持稳定。因而可与现有技术形成明显差异，现有技术仅仅教导使用在所述温度下具有固有不稳定性的材料和结构。
如上所述并根据本发明的一种实施方案，将陶瓷复合物设计为在高温下(例如大于约2000Kelvin且优选大于约2300Kelvin)保持稳定。如果陶瓷复合物在额定的设计寿命内经受所述高温没有使性能明显劣化(例如由于蒸发)，则可认为该陶瓷复合物是“稳定的”。陶瓷复合物的额定设计寿命可取决于该陶瓷复合物的应用。例如，在照明应用中，可能期望陶瓷复合物的设计寿命从小到10小时至大到超过1000小时。例如在白炽灯应用中，合理的设计寿命可以是大于约100小时的任意时间长度并优选大于约750小时，这与现有白炽灯的性能相当。
根据本发明的一个方面，陶瓷复合物的选择性光子反射和选择性光子发射或透射取决于陶瓷复合物结构中采用的组成材料之间的结构和材料关系。在一种实施方案中，可根据各陶瓷复合材料的介电性能及其在陶瓷复合物中的相对分布确定被陶瓷复合物反射、发射或透射的辐射的波长。根据一种实施方案，陶瓷复合物可包括呈现金属性的第一材料和呈现介电性的第二材料。通常，金属性材料导电并且在它们的电子结构特征中具有交叠的导带和价带，而介电体对于电流具有高阻抗。
材料的介电常数通常说明材料对电磁波形成的电场的响应，并且涉及电子从占满电子态激发到未满电子态的物理过程。材料的介电常数可用于判定某种具体材料呈现金属性还是介电性。通常，材料的介电常数是包括“实部”和“虚部”的复数。“理想介电”材料的介电常数(相对于介电常数等于1的真空)是大于或等于1的实常数。例如，HfO2和ZrO2的介电常数具有约等于4的实部和约等于0的虚部。与之相对，“理想金属”的介电常数取决于带内电子跃迁并可由Drude公式表征：
ϵ = 1 - ω p 2 ω ( ω + jγ ) ,
其中ωp为等离子体频率， j = - 1 , γ为材料的阻尼系数，ω为入射电磁波的频率。实际上，许多材料具有复杂的性质，其中各自介电常数的实部和虚部取决于辐射的频率和研究材料的温度。因而，尽管许多材料不能够称为理想金属或理想介电体，但这些材料仍可称为性质更像金属(也可称为“类金属”)或更像介电体。根据本发明的一种实施方案，可基于根据Drude公式确定的所关注材料的等离子体频率(ωp)值，将材料称为介电体或金属(此处将金属定义为包括类金属材料)。根据一种实施方案，将具有使
Figure A20078000990900093
(此处等于普朗克常数除以2π(即h/2π))大于约3eV且优选大于约4eV的等离子体频率(ωp)的材料称为金属。类似地，将具有使
Figure A20078000990900095
小于约2eV且优选小于约1eV的等离子体频率(ωp)的材料称为介电体。
在一种实施方案中，本文所述的陶瓷复合物包括称为金属的第一材料和称为介电体的第二材料。表1示出了随温度变化的Drude公式等离子体频率估算值，该值根据形成陶瓷复合物的备选材料的电子能级结构的第一性原理计算得到。如表所示，一些难熔金属和过渡金属氮化物、碳化物和硼化物陶瓷材料依据其介电常数(例如由它们的等离子体频率(ωp)表示)呈现强金属性。相反，难熔金属氧化物例如但不限于HfO2和ZrO2呈现介电性，且具有使
Figure A20078000990900096
约等于零eV(0eV)的ωp。
表1在T＝300K和T＝2500K时金属和类金属陶瓷的Drude参数
Figure A20078000990900097
Figure A20078000990900101
在一种实施方案中，如本文所述的选择性发射陶瓷复合物可包括第一材料的纳米粒子有序阵列，该第一材料按照确定的分布周期分散在热力学相容的陶瓷基体内。在本说明书中，术语“陶瓷基体”意指通过在两种或更多种物质之间加热或者加热并加压形成的固体化合物，其中至少一种物质为非金属。在替换性实施方案中，陶瓷复合物可包括按照确定的分布周期分散在陶瓷基体内的球形纳米孔洞有序阵列。在一种实施方案中，根据所需的陶瓷复合物的工作特性，纳米孔洞可包含气相(此处术语“气相”定义为包括真空)。
本文使用的术语“纳米粒子”和“纳米孔洞”分别指测量直径小于500nm的粒子(固相或液相)或孔洞。在一种实施方案中，本文所述的纳米粒子可具有约60nm-约350nm的直径。在一种实施方案中，纳米孔洞可具有约300nm-约500nm的直径。另外，在本文所述的陶瓷复合物的概念内，大量使用术语“分散”来表示纳米粒子或纳米孔洞以一定间距放置、定位或形成在陶瓷基体内。此外，术语“分布周期”意指各分散纳米粒子或纳米孔洞阵列之间中心-中心的间隔距离。对于本文提供的分布周期的具体数值，可假定误差范围为±10％。
图2示例根据本发明一种实施方案的高温陶瓷复合物的两个相应的截面图。图2所示陶瓷复合物10一般表示蛋白石点阵结构和反蛋白石点阵结构两者(以下对两者进行更详细地说明)。在图2示例的实施方案中，陶瓷复合物10包括第一区域12和第二区域14。应当注意的是，在一些情况下，区域14的示例尺寸与区域12的示例尺寸可能未按照比例。在一种实施方案中，第一区域12可包含固相物质，而第二区域14可包含固相、液相或气相物质。在一种实施方案中，第二区域14例如可分散在第一区域12中以保持约100nm-约1000nm的分布周期。在一种实施方案中，第一区域12和第二区域14保持约350nm的分布周期。第一区域12和第二区域14可分别包含第一材料和第二材料，选择并构造所述第一材料和第二材料，使得在加热时陶瓷复合物10可操作地反射波长大于约700nm的光子并发射或透射波长为约400nm-约700nm的光子。此外，还可选择并构造与第一区域12和第二区域14相关的材料，从而在大于约2000K的温度下，优选在大于2300K的温度下，在至少约10小时，甚至高达或超过约750小时的持续时间内，选择性反射、发射或透射光子。
根据各种实施方案，陶瓷复合物10的第一区域12和第二区域14可各自由一种或多种陶瓷材料占据，所述陶瓷材料由过渡金属的碳化物、氮化物、硼化物或氧化物形成，包括但不限于HfC、NbC、W2C、TaC、ZrC、HfN、Nb2N、Ta2N、ZrN、HfB2、TaB2、ZrB2、W2B、HfO2以及ZrO2。如本申请所用并且除非另外指出，过渡金属是指元素周期表中第3族至第12族(即d区)元素。
根据陶瓷复合物的第一结构布置，陶瓷复合物10的第一区域12可由介电体占据，第二区域14可由金属或类金属陶瓷占据。在本说明书中，介电体包括但不限于碳(C)和过渡金属氧化物例如HfO2和ZrO2。类似地，在本说明书中，类金属陶瓷包括但不限于HfC、NbC、W2C、TaC、ZrC、HfN、Nb2N、Ta2N、ZrN、HfB2、TaB2、ZrB2、W2B。在更具体的实施方案中，第一区域12可由介电体例如碳或过渡金属氧化物占据，第二区域14可由一种或多种过渡金属(包括但不限于W、Os、Re、Mo、Au、Ta和Nb)占据或由一种或多种类金属陶瓷(包括但不限于HfC、NbC、W2C、TaC、ZrC、HfN、Nb2N、Ta2N、ZrN、HfB2、TaB2、ZrB2和W2B)占据。
根据陶瓷复合物10的第二结构布置，第一区域12可由金属或类金属陶瓷占据，第二区域14可由介电体占据。在一种实施方案中，第二区域14可由球形纳米孔洞阵列占据，所述纳米孔洞分散在第一区域12内或相对于第一区域12分散以发挥介电体的作用。在一种实施方案中，第一区域12可由一种或多种金属或类金属陶瓷材料形成，所述类金属陶瓷材料包括但不限于HfC、NbC、W2C、TaC、ZrC、HfN、Nb2N、Ta2N、ZrN、HfB2、TaB2、ZrB2和W2B。纳米孔洞还可包含气相例如真空或空气，或额外的填充气体以进一步限定以下将进一步详细说明的陶瓷复合物10的性能。
根据再一种结构布置，陶瓷复合物10可构造为棒点阵(rod lattice)结构形式，所述棒点阵结构由均匀间隔的上述棒状(例如，其中棒的长度明显大于相应的宽度或高度)金属或类金属材料列的交替层形成。在一种实施方案中，所述棒可被上述介电体按照确定的分布周期隔开。
图3示意具有蛋白石点阵结构的陶瓷复合物26的一种实施方案，其中术语“蛋白石点阵”可指密排球点阵(close-packed ball lattice)。在示例性实施方案中，陶瓷复合物26可通过组装球状复合物粒子21阵列形成蛋白石点阵。各复合物粒子21可由被介电体22包覆或包围的第一材料核芯纳米粒子24形成。在一种实施方案中，核芯纳米粒子24可表示金属或类金属材料(例如，可由材料的等离子体频率决定)。由于陶瓷复合物26内的点阵间隙是复合物粒子21尺寸的函数，因而可设定核芯纳米粒子24和介电体22的尺寸以获得所需的点阵特性。在一种实施方案中，核芯纳米粒子可具有约60nm-约350nm的直径，介电体22可具有一定的尺寸范围，以使复合物粒子21的直径为约300nm-约500nm。在一种实施方案中，可通过首先组装复合物粒子21并随后烧结复合物粒子组合体，使复合物颗粒21形成整体烧结的陶瓷复合物26。在一种实施方案中，复合物粒子21可直接组装在基底例如所示加热元件25上。如以下进一步说明的，尽管在一些实施方案中，新的陶瓷复合物可涂覆或组装在基底或加热元件上，但可预见陶瓷复合物能够在没有下面的基底或加热元件的情况下发射。在这种情况下，例如，可通过直接通电流或者采用感应加热技术加热陶瓷复合物。
图4示意具有蛋白石点阵结构的陶瓷复合物的替换性实施方案。在图4中，将具有第一介电常数的第一材料纳米粒子34与具有第二介电常数的第二材料纳米粒子32组合，然后组装在基底或加热元件(例如加热元件35)上，从而形成所示的点阵结构。在一种实施方案中，第一材料纳米粒子34可表示一种或多种金属或类金属材料，第二材料纳米粒子32表示一种或多种介电体。
在一种实施方案中，图3的介电体22和图4的纳米粒子32可表示过渡金属的碳化物、氮化物、硼化物、氧化物或它们的组合。与之相对，图3的纳米粒子24和图4的纳米粒子34可表示过渡金属，包括但不限于W、Os、Re、Mo、Au、Ta、Nb、C、Hf、Zr及其组合。在更具体的实施方案中，介电体22和图4的纳米粒子32可表示陶瓷材料，包括但不限于C、ZrO2和HfO2，图3的纳米粒子24和图4的纳米粒子34可表示W、Os、Re、Mo、Au或它们的组合。
图5示意具有反蛋白石点阵结构的陶瓷复合物的一种实施方案。为了形成反蛋白石结构，可首先将介电纳米粒子44组装在基底或加热元件(例如加热元件45)上以形成点阵结构40(图5A)。在一种实施方案中，介电纳米粒子44包括二氧化硅(SiO2)纳米粒子。可通过一种或多种已知的或开发用于组装纳米粒子的组装技术组装介电纳米粒子44。例如，适于组装介电纳米粒子44的组装技术可包括但不限于蒸发、电泳以及Langmuir-Blodgett技术。
在一种实施方案中，可在介电纳米粒子44周围形成介电壳44a，以在介电纳米粒子44之间提供额外的接触，从而有利于纳米粒子的桥接(图5B)。在一种实施方案中，可在二氧化硅纳米粒子44上形成二氧化硅壳。组装之后，可采用一种或多种方法例如化学气相沉积(CVD)或电镀，将金属或类金属材料42或将要转化为类金属材料的前体浸在介电纳米粒子44周围(图5C)。在使用前体例如金属钨的情况下，可采用含碳气体例如甲烷通过高温渗碳将金属钨转化为WC或W2C陶瓷。还可以相同的方式，通过氮化或碳化母体金属制得用作前体的氮化物、碳化物和其他难熔化合物。
在金属或类金属材料42形成之后，可通过腐蚀或其他方法除去介电纳米粒子44，以在金属或类金属材料42内形成纳米孔洞，从而形成反蛋白石点阵。在一种实施方案中，可在二氧化硅纳米粒子44之间形成桥47(例如通过CVD或烧结)(图5D)。
在一种实施方案中，如本文所述的选择性发射陶瓷复合物可配置为能够用于各种高温应用的组合物或涂层。在一个非限制性实例中，陶瓷复合物可用于例如与白炽灯相关的高温照明应用。图6-9示例选择性发射陶瓷复合物如何用于特定照明应用的各种非限制性实例。
图6是示例涂层形式的选择性发射陶瓷复合物的一种实施方案的分解图。如图所示，陶瓷复合物60可涂覆在加热元件65上。在非限制性实例中，加热元件65可表示由例如但不限于碳、钨、锇、铼和钼等材料形成的例如棒状物、线圈或条状物。如该分解图所示，陶瓷复合物60可包括陶瓷基体62形式的介电体和金属或类金属纳米粒子64。或者，陶瓷复合物60可包括类金属陶瓷基体62和取代纳米粒子64的纳米孔洞。陶瓷基体62和纳米粒子64之间的相交部分限定粒子-陶瓷界面67，陶瓷基体62和加热元件65之间的相交部分限定陶瓷-加热元件界面63。
在一种实施方案中，可配置陶瓷复合物60，使得在使用过程中在额定寿命内陶瓷复合物60厚度(66)的减小没有达到导致陶瓷复合物60性能劣化的量。在一种实施方案中，配置陶瓷复合物60，使得在被加热到大于约2000Kelvin的温度，优选被加热到大于约2300Kelvin的温度时，在至少约10小时内，优选在至少约100小时内，更优选在至少约750小时内，陶瓷复合物没有劣化。术语陶瓷复合物60的“厚度”在本文中定义为沿垂直于加热元件65的方向从陶瓷-加热元件界面63到发射表面69测量的距离。在一种实施方案中，陶瓷复合物的厚度可介于约3层至30层之间，其中所述层由纳米粒子或纳米孔洞的直径限定。例如，分布周期为约350nm且厚度为约10层的陶瓷复合物可形成总测量厚度为约3μm的陶瓷复合物。在一种实施方案中，陶瓷复合物可涂覆在直径或测量截面为约25μm-约75μm的加热元件上。
根据一种或多种实施方案，本发明的陶瓷复合物可配置为发射体或者滤光体。配置为发射体时，陶瓷复合物在加热时可整体上或部分地发挥光子发射作用(即具有发射性)。如上所述，可直接加热陶瓷复合物或通过对下面的加热元件通电流加热陶瓷复合物。如果陶瓷复合物具有发射性，则通常期望在可见辐射波长范围内具有高的发射率并且在红外辐射波长范围内具有低的发射率。
配置为滤光体时，可使陶瓷复合物与加热元件隔开，以选择性反射加热元件发出的红外辐射并透射加热元件发出的可见辐射。通过将红外能量重新反射到加热元件上，可增加到达加热元件的热通量，从而降低获得相同流明输出所需的输入能量(例如电压和电流)。
图7示例包括根据本发明一种实施方案配置为发射体的陶瓷复合物的白炽灯。如图7所示，白炽灯70可包括基座72、连接在基座上的透光封壳73、连接在基座72上的发射结构体71。基座72是灯用于电接触的位置，因而可由任意导电材料例如铜或铝制成。透光封壳73可由玻璃制成并可具有任意形状和光洁度。
发射结构体71连接在基座上并可包括加热元件75(也称作灯丝)、引线76、支撑线(support wire)78和芯柱夹(stem press)74。引线76将电流从基座72输送至加热元件75。从基座72到芯柱夹74的引线76可由铜制成，从芯柱夹74到加热元件75的引线76可由镍或者镀镍的铜制成。芯柱夹74可以是基于玻璃的结构件并原位夹持发射结构件71。芯柱夹74可包括围绕引线76的气密密封件。为平衡膨胀系数，芯柱夹74还可包括铜套，引线76从该铜套中穿过。支撑线78用于支撑加热元件75并例如可由钼制成。加热元件75可为直金属线、线圈或螺线形线圈。在一种实施方案中，加热元件75可表示包括一种或多种材料例如W、C、Os、Re、Mo、Ta和Nb的灯丝。
继续参考图7，加热元件75可包括陶瓷复合物，该陶瓷复合物在大于约2000Kelvin，优选在大于2300Kelvin的温度下，在至少约10小时内，优选在至少100小时内，更优选在至少750小时内可操作地反射波长大于约700nm的光子并发射或透射波长为约400nm-约700nm的光子。该陶瓷复合物可包括第一材料和分散在第一材料中的第二材料，从而形成一种结构，使得第一材料和第二材料保持约100nm-约1000nm的分布周期。在一种实施方案中，第一材料可选自包括碳以及过渡金属碳化物、过渡金属氮化物、过渡金属硼化物、过渡金属氧化物及其组合的介电体。第二材料可选自W、Os、Re、Mo、Au、Ta、Nb、C、Hf、Zr及其组合，或者选自包括HfC、NbC、W2C、TaC、ZrC、HfN、Nb2N、Ta2N、ZrN、HfB2、TaB2、ZrB2、W2B及其组合的类金属陶瓷。在替换性实施方案中，第一材料可选自金属或包括过渡金属碳化物、过渡金属氮化物、过渡金属硼化物及其组合的类金属陶瓷，第二材料可选自包括碳和过渡金属氧化物的介电体。在再一种实施方案中，第一材料可选自金属或类金属陶瓷，第二材料可表示气相。在一种实施方案中，陶瓷复合物可直接形成在加热元件75上。
根据本发明的一种实施方案，透光封壳73内可保持真空。如果认为涂覆在加热元件75上或者作为加热元件75的陶瓷复合物的蒸发速率对于所需寿命而言过大，则可在透光封壳73中加入额外的气相(也可称作填充气体)。在一种实施方案中，可选择灯用填充气体以稳定灯的运行，从而提高灯的额定寿命。在包括介电陶瓷基体和金属的陶瓷复合物涂层中，可选择陶瓷基体和填充气体组合物的组合，以使主蒸发物质的分压低并且陶瓷复合物涂层的蒸发在设计寿命内没有危及涂层的保持性。
图8示例包括根据本发明另一实施方案配置为滤光体的陶瓷复合物的白炽灯。白炽灯80与图7的白炽灯70基本相同，但图8的白炽灯80包括与加热元件85隔开并光学对准的陶瓷复合物87。通过这种滤光体配置，可将红外能量重新反射到加热元件上，同时允许可见光透过。因而，可见光输出的产生主要源于由下面的加热元件发出并随后被陶瓷复合物过滤的发射。在一种实施方案中，陶瓷复合物可操作地选择性地反射来自发射体的红外辐射，同时选择性地透过或透射可见辐射。
图9示例包括配置为滤光体的陶瓷复合物的白炽灯的替换性实施方案。白炽灯90同样与图7的白炽灯70类似，但图9的白炽灯90包括涂覆在透光封壳93内表面的陶瓷复合物滤光体97。该滤光体将红外辐射重新反射到白炽灯的加热元件95上并仅仅选择性透过可见光。
图10是示例图7所示白炽灯的操作方法的一种实施方案的流程图。在方框1002中，对具有涂层加热元件的光源(例如白炽灯70)通电流，其中涂层加热元件包括第一材料和分散在第一材料内的第二材料，从而形成一种结构，使得第一材料和第二材料保持约100nm-约1000nm的分布周期。在方框1004中，将加热元件加热至大于2000Kelvin，优选加热至大于2300Kelvin，从而在至少约10小时内，优选在至少约750小时内，发射或透射波长为约400nm-约700nm的光子并反射波长大于约700nm的光子。
根据本发明的一种实施方案，本文仅说明了唯一一组材料筛选准则和设计标准，用于判定制备高温稳定的选择性发射陶瓷复合物的材料组合和结构布置。更具体地，为了使陶瓷复合物在经受至少2000Kelvin，优选至少2300Kelvin的温度的同时，在超过约10小时(甚至高达或超过750小时)的时间内，提供所需的至少为20LPW的流明效率，按照以下标准对备选材料进行筛选。尽管以下说明参考图6，但本文所述的材料筛选准则和设计标准不应理解为仅限于陶瓷复合物涂层，而是能够等价应用于所有陶瓷复合物实施方案，对图6的参考仅仅是示例性的。
再次参考图6，可以确定的是陶瓷基体62应与纳米粒子64(例如在粒子-陶瓷界面67)和下面的加热元件65(例如在陶瓷-加热元件界面63)化学相容。此外，陶瓷复合物60在高温环境中应具有足够低的蒸发速率，使得在白炽灯气氛中使用时历经所需的设计寿命后陶瓷复合物10(无论其为何种形式)大部分基本保持完整。在一种实施方案中，设计寿命为至少10小时，优选为至少100小时，更优选为至少约750小时。此外，陶瓷复合物60的组成材料的介电常数应具有明显差异，以选择性反射在至少一种非可见光波长范围内的光子并选择性发射或透射在至少一种可见光波长范围内的光子。
例如，根据一种实施方案，如果选择陶瓷复合物60的最大允许蒸发速率，使得在给定的设计寿命内允许不大于10％的陶瓷复合物60蒸发，则在2300K时超过设计寿命的陶瓷基体62蒸发寿命可由公式[1]表示：
Figure A20078000990900171
公式[1]
其中ρ陶瓷为陶瓷基体62的质量密度(g·cm-3)，M陶瓷为陶瓷基体62的摩尔质量(g·mole-1)，p*(atm)是在所关注的温度时主蒸发物质的平衡蒸汽压。
例如，假设初始化学计量为Ta0.513C0.487的碳化钽为备选的陶瓷基体。其密度ρ陶瓷＝14.3g·cm-3，摩尔质量M陶瓷＝192.959g·mole-1，且最易蒸发的物质Ta在灯丝温度为2300K时的蒸汽压为p* Ta＝5.0×10-13atm。因此，在2300K时厚度为3μm的Ta0.513C0.487涂层损耗10％的预计时间(t)为1.15×107小时。由于1.15×107小时远大于目前所需的寿命750小时，因而，就该使用寿命内的耐蒸发性而言，可认为Ta0.513C0.487是合适的陶瓷基体。此外，对于相同的备选陶瓷基体，在2500K时达到10％的涂层损失所用的等价预计时间为3.62×105小时，也远大于750小时。
对于备选陶瓷基体在基本为惰性的填充气氛下(例如由白炽灯提供的气氛)蒸发速率过高的一些情况，可通过向填充气体中添加少量具有降低主蒸发物质蒸汽压p*作用的气态物质，来降低蒸发速率。适量添加具有稳定作用的物质使根据公式[1]的蒸发寿命延长，并使该陶瓷基体成为用于陶瓷复合物60的合适备选材料。在另一实例中，氮化铪(HfN)的密度为ρ陶瓷＝13.8g·cm-3，摩尔质量为M陶瓷＝192.5g·mole-1，最易蒸发的物质Hf(g)在加热元件温度为2300K时蒸汽压为p* Hf＝8.2×10-8atm。在2300K时，在惰性气氛(例如纯Ar)下，厚度为3微米的HfN涂层损耗10％的预计时间为68小时。由于该时间远小于目前所需的寿命750小时，因而，就所需寿命内的耐蒸发性而言，不能够认为HfN是合适的陶瓷基体。
在近大气压下，100W的A线白炽灯在工作时，其填充气体组合物为95％的Ar和5％的N2。利用HfN涂层平衡该填充气体，按照化学反应(A)确定Hf(g)的蒸汽压：
HfN＝Hf(g)+1/2N2(g)    (A)
得到pHf＝7.4×10-11atm。在含有5％N2的填充气体中(相应于38Torr的N2压力)，厚度为3微米的HfN涂层损耗10％的预计时间为75577小时，根据公式[1]该时间远大于目前所需的寿命750小时。在高瓦数白炽灯中一贯采用标准填充气体，从而使HfN适合用于本文限定的陶瓷复合物的陶瓷基体。类似地，在加热元件温度为2500K时，在100％为Ar的填充气体中，厚度为3微米的HfN涂层损耗10％的预计时间为4.5小时，在95％Ar和5％N2的填充气体中该预计时间为1309小时。因此，基于目前所需的性能标准，在选择合适的填充气体组合物的情况下，可认为HfN适合用于本文限定的陶瓷复合物的陶瓷基体。可使用除Ar以外的填充气体或部分真空，只要N2气压足够高，以根据反应(A)使HfN涂层在至少750小时内保持稳定。
在另一实例中，氧化铪(HfO2)的密度为ρ陶瓷＝9.68g·cm-3，摩尔质量为M陶瓷＝210.49g·mole-1，最易蒸发的物质HfO在灯丝温度为2300K时蒸汽压为p* HfO＝8.9×10-9atm。因此，在2300K时厚度为3μm的HfO2涂层损耗10％的预计时间为402小时。由于402小时小于目前所需的寿命750小时，因而，就该额定寿命内的耐蒸发性而言，通常不能够认为HfO2是合适的陶瓷基体。
如果在填充气体中添加少量如10ppm的氧气O2(g)，则p* HfO的值由反应(B)的平衡确定：
HfO2＝HfO(g)+1/2O2(g)    (B)
得到p* HfO＝7.4×10-12atm。HfO2的蒸发则由物质HfO的蒸发控制，其中p*HfO2＝2.0×10-11atm。填充气体中包括10ppm O2，从而根据等式[1]使厚度为3μm的HfO2涂层损耗10％的预计时间增至1.29×105小时。由于1.29×105小时远大于目前所需的寿命750小时，因而可知通过对填充气体组合物进行适当地微小改变，在所述高温环境下HfO2可成为适合用于陶瓷复合物的陶瓷基体。在加热元件温度为2500K时，厚度为3微米的HfO2涂层损耗10％的等价预计时间为1637小时。由于1637小时大于目前所需的寿命750小时，因而如果选择适当改变的填充气体组合物，则可认为HfO2适合用于陶瓷复合物的陶瓷基体。
此外，在本申请中应当理解的是，在选定的灯丝温度下，当与内含纳米粒子64接触时，陶瓷材料62应保持化学稳定。即陶瓷基体62不应与纳米粒子材料64进行交换反应，陶瓷基体62也不应固溶大量纳米粒子材料64。例如，提出了包括Ta0.513C0.487陶瓷基体和Hf纳米粒子的陶瓷复合物。Ta0.513C0.487和Hf之间可能发生的反应为：
Ta0.513C0.487+0.513Hf＝Hf0.513C0.487+0.513Ta    (C)
在2300K时该反应的吉布斯能变值ΔG，经计算为-37140J。由于化学反应仅在吉布斯能变小于零时进行，因而在2300K时反应(C)向右进行，并且可认为Ta0.513C0.487与Hf就交换反应(C)而言热力学不相容。然而，Ta0.513C0.487与其他备选纳米粒子单质(包括但不限于Os、Re、Au)的反应可产生为正值的ΔG，从而表明相应的陶瓷材料/纳米粒子组合在所关注的温度下无条件地保持稳定。
在另一实例中，提出了包括HfN陶瓷基体和纳米粒子W的陶瓷复合物。HfN与W之间可能发生的反应为：
HfN+2W＝W2N+Hf    (D)
关于高温材料相稳定和热力学性能的文献指出钨的氮化物是不稳定的，因此反应(D)以及类似于(D)将生成钨的氮化物的任何其它反应将不会发生。因而，可以预见，HfN陶瓷和W纳米粒子的组合在所关注的温度范围内是稳定的陶瓷复合物。
除HfN之外，以上还描述了包括HfO2陶瓷基体和W纳米粒子的陶瓷复合物。HfO2和W之间可能发生的反应可由以下反应(E)表示：
HfO2+W＝WO2+Hf    (E)
在2300K时该反应的吉布斯能变值ΔG，经计算为+519700J。由于化学反应仅在吉布斯能变小于零时进行，因而就交换反应(E)而言HfO2与W是相容的。由于反应(E)的吉布斯能变值较大且为正值，因而预期W在HfO2中的固溶度低。因此，预期包括HfO2陶瓷材料和W纳米粒子的体系在所关注的温度范围内形成稳定的陶瓷复合物涂层。
此外，在本申请中应当理解的是，陶瓷材料62在设置在加热元件上并与加热元件接触时应保持化学稳定。即陶瓷基体62不应与加热元件材料进行交换反应，也不应固溶大量加热元件材料。
例如，在2300K时W-Ta-C三元相图的热力学计算表明，备选陶瓷材料Ta0.513C0.487可能与W加热元件部分地反应，从而生成少量碳化物固溶体(Ta，W)2C和富W的(W，Ta)合金层。该预期反应对W加热元件上3μm的Ta0.513C0.487涂层可能造成不利影响或者可能不造成不利影响。根据所述标准，Ta0.513C0.487是可能用于本文限定的陶瓷复合物的陶瓷基体，但等级低于表现为基本不与下面的W加热元件发生化学反应的备选陶瓷材料。
根据以上反应(A)所示表明HfN和W纳米粒子化学相容的同一实例还表明HfN和W加热元件化学相容。类似地，根据以上反应(E)所示表明HfO2和W纳米粒子化学相容的实例还表明按照本文披露的设计标准HfO2和W加热元件化学相容。
上述实例中示例的方法可用于确定备选材料体系是否适合用于改进的具有本申请教导的选择性发射陶瓷复合物的白炽灯。因而，根据如上所述本发明的一种实施方案，采用陶瓷复合物体系的白炽灯可包括基座、透光封壳、W加热元件或灯丝、设置在加热元件上包含HfN陶瓷和内含W纳米粒子的陶瓷复合物涂层。透光封壳可保持真空或容纳填充气体。在一种实施方案中，封壳中容纳的填充气体可包括惰性气体，其中惰性气体可包含至少约38Torr的N2。
根据如上所述本发明的另一种实施方案，采用陶瓷复合物涂层的白炽灯可包括基座、透光封壳、W加热元件或灯丝、设置在加热元件上包含HfN陶瓷和内含纳米孔洞的陶瓷复合物涂层、以及容纳在封壳内并包含惰性气体的填充气体，其中惰性气体可包含至少约38Torr的N2。
根据如上所述本发明的再一种实施方案，采用选择性发射陶瓷复合物的白炽灯可包括基座、透光封壳、W加热元件或灯丝、设置在加热元件上包含HfO2陶瓷和内含W纳米粒子的陶瓷复合物、以及包含惰性成分(如Ar)和10ppm O2的填充气体。该填充气相可在一定限度内改变，例如通过添加N2以按照需要改变其导热率和/或改变O2浓度，同时就蒸发而言仍使陶瓷复合物涂层保持长寿命。
前述实例旨在示例用于根据上述化学稳定性要求判定备选材料的具体材料筛选方法。尽管上述实例利用一些假设来确定材料的相容性(例如，在2300k下工作时在所需的设计寿命内应使陶瓷复合物的蒸发不大于10％)，本文所示的技术是可扩展的并且不应当仅限于所述数值。同样地，尽管仅对一些材料进行了详细说明，但相关方法应扩展地理解并可应用于除所述材料以外的大量材料。特别地，尽管上述示例性方法假设加热元件由钨构成，但由其他材料(例如但不限于碳、锇、铼和钼)构成的加热元件同样可结合本文所述陶瓷基体复合物使用。
实施例1
在一个实施例中，制造了白炽灯。该白炽灯包括基座、涂覆有高温发射陶瓷复合物的加热元件和包围加热元件连接在基座上的透光封壳。在将加热元件安装在基座上之前，在该加热元件上形成陶瓷复合物。为了形成该陶瓷复合物，通过电泳或蒸发将粒径为约400nm的二氧化硅纳米粒子组装在加热元件上。然后利用二氧化硅的化学气相沉积(CVD)桥接二氧化硅纳米粒子，从而形成内部互连结构。再次进行CVD过程以浸渍二氧化硅基体并在二氧化硅纳米粒子周围形成50nm的HfN陶瓷壳。利用氢氟酸腐蚀二氧化硅粒子。由于HfN具有使
Figure A20078000990900211
大于8eV(表示强金属性)的等离子体频率ωp并且所得孔洞空间的介电常数约为1，因而提供了足够的介电差异。然后，将涂层加热元件安装在白炽灯内，连接封壳，提供含有至少38Torr N2的填充气体。电流通过基座到达涂覆有陶瓷复合物的加热元件，使得陶瓷复合物在大于约2300Kelvin的温度下在至少约100小时内，选择性反射波长大于约700nm的光子并发射波长为约400nm-约700nm的光子。
实施例2
在第二个实施例中，制造了另一种白炽灯。该白炽灯包括基座、涂覆有高温发射陶瓷复合物的钨灯丝、以及包围钨灯丝连接在基座上的透光封壳。在将钨灯丝安装在基座上之前，在灯丝上形成陶瓷复合物。采用电泳法将由150nm的钨核芯和100nm的HfO2涂层组成的复合纳米粒子组装在灯丝上。然后烧结该组装粒子，从而在钨灯丝上形成整体烧结的涂层。然后将涂层灯丝安装在白炽灯内，连接封壳，填充气体包括Ar和10ppm的O2。电流通过基座到达涂覆有陶瓷的灯丝，从而使陶瓷涂层在大于约2300Kelvin的温度下在至少约100小时内，选择性反射波长大于约700nm的光子并发射波长为约400nm-约700nm的光子。
尽管本申请仅对本发明的一些特征进行了示例和说明，但本领域技术人员可作出多种改变和变化。因而，应当理解的是，所附权利要求旨在覆盖所有可落在本发明构思和范围内的改变和变化。本申请所述主题的附加权利要求可见随本申请同时提交的下述美国专利申请：发明名称为HIGHTEMPERATURE CERAMIC COMPOSITE FOR SELECTIVE EMISSION的美国专利申请[Atty.Docket no.165571-1]；发明名称为ARTICLEINCORPOR ATING A HIGH TEMPERATURE CERAMIC COMPOSITE FORSELECTIVE EMISSION的美国专利申请[Atty.Docket no.165571-2]；和发明名称为LIGHT SOURCE INCORPORATING A HIGH TEMPERATURECERAMIC COMPOSITE FOR SELECTIVE EMISSION的美国专利申请[Atty.Docket no.165571-3]。

Claims (35)

1.一种光源，包括：
基座；
连接在所述基座上的透光封壳；
设置在所述透光封壳内的组合物，所述组合物包括第一区域和第二区域并且可操作地抑制或反射波长大于约700nm的光子并发射或透射波长为约400nm-约700nm的光子；和
容纳在所述封壳内的气相，所述气相用于抑制所述组合物在大于约2000Kelvin的工作温度下的蒸发。
2.权利要求1的光源，还包括连接在所述基座上的加热元件，其中所述组合物涂覆在所述加热元件上。
3.权利要求2的光源，其中所述加热元件包括选自W、C、Os、Re、Mo、Ta、Nb以及其中两种或更多种的组合中的材料。
4.权利要求1的光源，其中所述组合物涂覆在所述透光封壳上。
5.权利要求1的光源，其中所述第二区域分散在所述第一区域内，以使所述第一区域和所述第二区域保持约100nm-约1000nm的分布周期。
6.权利要求5的光源，其中所述气相浸在所述第二区域内。
7.权利要求6的光源，其中所述第一区域包含至少一种过渡金属的氮化物并且所述气相包含N2。
8.权利要求7的光源，其中所述气相包含至少38Torr的N2。
9.权利要求6的光源，其中所述第一区域包含至少一种过渡金属的氧化物并且所述气相包含O2。
10.权利要求1的光源，其中所述气相包含压力为至少约0.00076Torr的O2。
11.权利要求10的光源，其中所述气相包含压力为约0.00076Torr-约0.076Torr的O2。
12.权利要求1的光源，其中所述第一区域包含选自HfC、NbC、W2C、TaC、ZrC以及其中两种或更多种的组合中的材料，并且所述气相包含N2和CN。
13.权利要求1的光源，其中所述气相包含N2和CN的混合物，其中N2和CN的压力比为约10,000-约1,000,000。
14.权利要求1的光源，其中所述第一区域包含选自HfN、Nb2N、Ta2N、ZrN以及其中两种或更多种的组合中的材料，并且所述气相包含N2。
15.权利要求14的光源，其中所述气相包含至少38Torr的N2。
16.权利要求1的光源，其中所述第一区域包含选自HfO2、ZrO2及其组合中的材料，并且其中所述气相包含O2。
17.权利要求16的光源，其中所述气相包含压力为至少约0.00076Torr的O2。
18.权利要求17的光源，其中所述气相包含压力为约0.00076Torr-约0.076Torr的O2。
19.权利要求1的光源，其中所述第一区域包含至少一种过渡金属的碳化物并且所述气相包含N2。
20.一种包括权利要求1的光源的白炽灯。
21.一种光源，包括：
基座；
连接在所述基座上的透光封壳；
连接在所述基座上的基底；
涂覆在所述基底上的涂层，所述涂层包括第一区域和分散在所述第一区域内的第二区域，以使所述第一区域和所述第二区域保持约100nm-约1000nm的分布周期，其中所述组合物可操作地抑制或反射波长大于约700nm的光子并发射或透射波长为约400nm-约700nm的光子；和
容纳在所述封壳内的气相，所述气相用于抑制所述涂层在大于约2000Kelvin的工作温度下的蒸发。
22.一种光源，包括：
基座；
连接在所述基座上的基底；
连接在所述基座上的透光封壳；和
涂覆在所述基底或所述透光封壳上的涂层，所述涂层包括第一区域和分散在所述第一区域内的第二区域，所述第一区域包含选自HfC、NbC、W2C、TaC、ZrC、HfN、Nb2N、Ta2N、ZrN、HfB2、TaB2、ZrB2、W2B、HfO2、ZrO2、C以及其中两种或更多种的组合中的材料，以及所述第二区域包含气相。
23.权利要求22的光源，其中所述气相分散在所述第一区域内，以使所述第一区域和所述第二区域保持约100nm-约1000nm的分布周期，其中所述组合物可操作地抑制或反射波长大于约700nm的光子并发射或透射波长为约400nm-约700nm的光子。
24.权利要求22的光源，还包括加热元件。
25.权利要求24的光源，其中所述涂层涂覆在所述加热元件上。
26.权利要求22的光源，其中所述第一区域包含选自HfC、NbC、W2C、TaC、ZrC以及其中两种或更多种的组合中的材料，并且所述气相包含N2和CN。
27.权利要求22的光源，其中所述气相包含N2和CN的混合物，其中N2和CN的压力比为约10,000-约1,000,000。
28.权利要求22的光源，其中所述第一区域包含选自HfN、Nb2N、Ta2N、ZrN以及其中两种或更多种的组合中的材料，并且其中所述气相包含N2。
29.权利要求28的光源，其中所述气相包含至少38Torr的N2。
30.权利要求29的光源，其中所述组合物包括涂覆在所述加热元件或所述透光封壳上的涂层。
31.权利要求22的光源，其中所述第一区域包含选自HfO2、ZrO2及其组合中的材料，并且所述气相包含O2。
32.权利要求31的光源，其中所述气相包含压力为至少约0.00076Torr的O2。
33.权利要求32的光源，其中所述气相包含压力为约0.00076Torr-约0.076Torr的O2。
34.权利要求32的光源，其中所述组合物包括涂覆在所述加热元件或所述透光封壳上的涂层。
35.权利要求22的光源，其中所述第一区域包含至少一种过渡金属的碳化物并且所述气相包含N2。
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