CN101772826A - 保持高工作温度并且减少裂纹的金属和氧化物界面组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及设置在放电灯电极组件(14)上的阻挡层，至少包括非氧化材料的纳米簇层(28)。此外，本发明涉及用于放电灯的电极组件，包括具有与其附连的箔的电极以便产生电极组件，该组件涂敷有多层涂层，多层涂层至少包括具有纳米簇形式的非氧化材料层并至少包括另一非氧化材料层，使得总涂层厚度高达1500nm。还提供一种减少电极组件与放电灯外壳之间的热膨胀失配的方法，该方法包括提供电极组件并且在组件表面上沉积至少具有非氧化材料的纳米簇层的涂层，随后使电极组件区域中的灯外壳经过箍缩以便产生箍缩区域，这种灯能够在高温下工作超过1000小时的延长时间。

Description

保持高工作温度并且减少裂纹的金属和氧化物界面组件

技术领域

本公开涉及放电灯。它在以高温进行工作的高强度石英或陶瓷放电灯方面、在其中灯的箔(foil)和/或线圈组件上的非氧化阻挡层的使用方面以及在呈现金属和/或非金属/半导体界面的装置方面得到特定应用。但是要领会，本公开在整个照明及相关行业具有广泛应用。

背景技术

本领域一般已知的是荧光灯和其它放电灯。这些灯具有通常带圆形截面的玻璃管或透光外壳(envelope)。这个外壳包含灯电极、支持填充气体和本领域已知的各种汞成分。外壳可在两端密封。灯电极安装在通常定位在外壳的端部的一个或多个底座(base)中，这些底座还用于密封该外壳。电极协调工作以便提供电弧放电，并且由通常为钨的极小直径的导线制成。

电极引脚组件由于其物理结构和性质是易碎的。另外，它们在灯制造期间和灯工作期间、特别是在高温经受附加应力。由于这些因素，灯的电极组件往往包括箔连接器，箔连接器为易脆电极提供物理支持，并且还用于吸收电极的发热的一部分，因此降低电极工作温度，因而提高灯的使用寿命。

作为对易碎电极组件提供支持的另一种方法，灯往往呈现本领域通常称为灯的“箍缩(pinch)部分”。在外壳的任一端紧接着底座定位的灯的这个部分的特征在于外壳或管减小的直径，其中玻璃被“箍缩”到接近电极。但是，虽然这确实提高灯结构中电极组件的稳定性，但是它也产生关于玻璃外壳与电极导线直接接触并且损害其性能的潜在问题。弥补这个问题的一种方法是在箍缩区域中提供围绕电极/箔组件的线圈，以便用作玻璃外壳与电极组件之间的屏障。

在具有上述一般配置的灯中，线圈/箔组件用于减小石英外壳与金属电极之间的热膨胀失配所引起的应力。一般来说，箔是钼箔，但可使用其它金属。甚至通过将金属箔添加到电极组件，灯也继续遇到热膨胀失配问题。为了便于本公开，术语“箔”旨在表示用于将电极连接到灯的电源的任何金属，除非另加说明，术语“箔”和“箔/线圈”或者它们的任何组合表示电极的支持组件。

在实践中，将箔焊接到电极、例如钨电极，但可使用其它电极材料。焊接区位于灯中称作箍缩的区域内，如上所述，这样命名是因为石英外壳实际上被“箍缩”在一起，作为支持箔/电极连接的构件。焊接还可用金属线圈来缠绕或者装入管中，以确保石英不会直接与电极接触并且使箔/电极焊接的区域稳定。

这个箔/线圈组件即使预计为电极提供支持，但也可能因为若干原因而出故障。例如，组件可能因结构弱点或者组件组成材料的连续热失配而出故障。在一些情况下，组件的故障通过用铬涂敷箔以减少灯工作期间金属的氧化来避免。用于减少因过度发热引起的故障的另一种方法是使用喷沙(sandblasting)技术来使外壳结霜，这增加表面面积并且降低箍缩温度。这种惯例往往用于娱乐照明器材，因为这种类型的器材使灯底座温度达到400℃以上。

不管灯的预计用途，大多数灯在灯的所述箍缩部分至少包括箔/线圈组件。由于用于制作许多灯外壳的石英是氧化物材料，并且箔一般由金属、如钼形成，所以在石英与箔之间存在固有的热失配，在这两种材料非常接近的箍缩区域中更加重了这种情况。这与结构中的应力点相关，它在正常或常规工作条件下最终将导致灯故障，但它在高工作温度条件下被放大，从而引起过早的灯故障。例如，在高温工作条件下，灯的箍缩部分可能遇到超过500℃的温度。由于钼箔在500℃左右氧化，所以在工作的前400个小时内，箔遭受氧化产生的退化(degradation)，该退化导致过早的灯故障。因此，在平均高达1000至2000个工作小时的情况下，在延长或者长工作灯中使用常规箔/线圈电极支持不是可行的选项。

本领域的技术人员将领会，在假定以上所述的情况下，灯技术中存在关于没有遭受过早灯故障或者缩短工作寿命的高工作温度灯的空间。待解决的问题需要一种解决方案，它不仅消除箍缩区域中金属箔与石英外壳之间的热失配，而且还将用于避免箔在高工作温度下的过早氧化，因而即使灯的工作温度超过500℃也允许超过1000个小时的长持久灯性能灯。

发明内容

本发明涉及设置在放电灯的电极组件上的阻挡层，至少包括非氧化材料的纳米簇层。此外，本发明涉及用于放电灯的电极组件，包括具有与其附连的箔的电极以便产生电极组件，该组件涂敷有多层涂层，所述多层涂层至少包括具有小于1nm的厚度并且以纳米簇形式的非氧化材料层并且至少包括另一非氧化材料层，使得总涂层厚度高达1500nm。还提供一种减少电极组件与放电灯外壳之间的热膨胀失配的方法，该方法包括提供电极组件并且在组件的表面上沉积至少具有非氧化材料的纳米簇层的涂层，随后使电极组件区域中的灯外壳经过箍缩以便产生箍缩区域，这种灯能够在高温下工作超过1000小时的延长时间。

附图说明

图1是常规灯组件的示图。

图1a是另一常规灯组件的示图。

图2是根据本发明的箔箍缩区域的示图。

图3是示出根据本发明的两个涂敷层的界面结构的细节的示图。

具体实施方式

本发明涉及用于沉积到放电灯的箍缩区域中箔/线圈上的涂层。更具体来说，本发明涉及一种涂层，它消除放电灯箍缩部分中石英外壳与箔/线圈支持组件之间的热失配所引起的问题。另外，该涂层具有降低或阻碍金属箔氧化进展的能力，以便将灯的工作寿命充分延长到预期1000至2000小时。

参照图1或图1a，示出本领域普遍已知的典型放电灯10。灯10含有具有圆形截面的玻璃管或透光外壳12，并且包括常规电极、填充气体16以及本领域已知的汞成分(未示出)。管12在两端通过底座18来密封。电极14安装在底座18中，使得它们在施加来自常规灯电源(未示出)的电力时保持电弧放电。与底座18相邻，灯配置成具有“箍缩”区域20，其中石英外壳直径限制成为电极组件提供支持。图1a示出附连到电极14的箔22。玻璃管12内表面的全部或任何部分可涂敷有在我们的共同受让人的美国专利No.5602444中公开的类型的一个或多个涂敷层(未示出)、如透射阻挡涂敷层和/或反射阻挡涂敷层。本领域的技术人员将领会，虽然本文参照这种常规灯配置来描述本发明，但是它将应用于具有因灯外壳与电极组件之间的热失配而遇到缩短灯寿命的潜在问题的任何灯结构。

图2提供根据本发明的放电灯的箍缩区域20的展开图。这对应于图1a所示的灯类型。可以看到，箔22连接到电极14。石英外壳12虽然在表示这种灯类型的中心部分的区域24中更宽，但在电极/箔连接的区域26中被“箍缩”，使石英比原本可能建立的更紧密地靠近电极组件。如以上所述，箍缩设计用于为电极组件提供物理支持。

对于根据本发明的涂层，它在本文中可互换地被称作“涂层”、“层”或“阻挡”或者这些术语的任何组合。涂层至少包括金属，例如Ni-Mo-Cr合成物、Re、Os、Au或Pt。用作根据本发明的涂层的这些及其它适当金属的特征在于高熔点和低扩散距离。术语“扩散距离”表示材料、这里为涂层材料的原子在被它扩散到其中的材料的原子捕获之前所行进的距离。除了所定义的金属之外，涂层还可包括例如氧化钛、氧化锌、氧化铟、氧化铝的某些氧化物以及例如TiInO、SrTiO、LaSrTiO₃、CuAlS的合成物。因此，根据本发明的涂层至少包括导电金属或金属氧化物，并且可包括它们的组合。重要的是使涂层导电，以使它不干涉灯的工作。

除了上述金属和/或金属氧化物之外，还可将涂层掺杂，以便进一步增强其性能。掺杂物可从例如硅、硼和碳的材料中选取，掺杂物可作为离子或者以元素形式通过在沉积涂层之后以极高温度将它们扩散到涂层合成中来添加。

本发明的涂层包括若干层。涂层的第一层大约以至少4/5纳米左右的厚度来沉积。这种沉积可通过任何已知的沉积技术来实现。优选地，该层以至少大约400℃的温度来沉积。在这种温度下的沉积使阻挡层材料形成材料的纳米簇(nanocluster)层，与只在较低温度、常规100℃左右的温度下沉积的性质的薄膜正好相反。在这种较低温度下沉积的薄材料层至少经受涂层金属到金属箔的部分扩散。但是，在根据本发明的较高沉积温度，金属涂层材料不会扩散到箔或线圈材料中，而是被沉积为超硬纳米簇涂层，其特征在于以下事实：一旦被沉积，则它们即使在暴露于高温时也实质上保持为超硬表面层。

图3以截面来阐述涂敷箔。在这个图中看到，涂层28的第一层以所述纳米簇的形式驻留在金属箔的表面上。在这个图中，第二层30采取与上文称为氧化物材料对应的薄膜的形式来沉积。涂层还呈现纳米簇层与薄膜之间的界面32以及涂层与石英外壳之间的界面34。

在其中纳米簇涂敷层包括例如Au、Ni或Pt的那种情况下，它可通过溅射来沉积。这种沉积工艺之后，则在大约400℃退火高达大约5个小时。对涂层进行沉积和退火所需的时间取决于预期的涂层厚度。沉积温度由涂层的金属含量确定，即具有较高熔点的金属要求较高温度沉积或者较长时间段的较低温度沉积。

在其中纳米簇涂敷层由例如锌、氧化钛、氧化铟或硫化物或硼化物来形成的那种情况下，所述层可通过常规化学汽相沉积技术来沉积。一般来说，化学汽相沉积是通过将待涂敷表面、在本例中为箔组件暴露于一个或多个挥发性涂敷前驱物质(precursor)来沉积高纯度、高性能涂层。活化和加工条件根据用于开始化学反应的工艺类型而改变，例如：工作压力CVD，包括但不限于大气压CVD、低压CVD等；汽相CVD，包括但不限于气溶胶CVD、液体注入CVD等；等离子体增强CVD；原子层CVD；热丝(hot wire)CVD；金属有机CVD；等等。本领域技术人员将会知道如何根据衬底和涂层含量来应用预期技术。

本发明还包括对上述氧化层添加掺杂物。氧化物材料可涂敷有极薄的硅层、硼层或碳层，例如以便进一步减少石英外壳与最紧靠或最接近它的材料之间的热膨胀失配。

包括本文所述涂层的纳米簇的大小可变。一般来说，因这些簇随增加的涂层厚度而线性增加的事实，当涂敷层的厚度增加时这些簇更大。

在最初沉积的纳米簇涂敷层之后，沉积厚度大约为1500纳米的第二层。根据本发明的涂层的这个辅助层可由与初始层相同的材料来形成，或者可由另一种金属合成来形成。例如，包括初始层和辅助层或附加层的整个涂层可包括Au或Ni-Mo-Cr、MoRe、MoOs、MoPt。包含多种成分的混合物的涂层、如Ni-Mo-Cr涂层因混合涂层可能更似颗粒的事实而可呈现对应力的更好抵抗。虽然单成分涂层足以阻挡箔/电极组件的氧化，但是它可能不如混合涂敷层那样有效地解决与应力相关的问题。

如上所述，虽然单成分涂层在这个方面有充分表现，但是包括多种成分的组合的涂层可提供更好的结果。备选地，例如，涂层可包括初始金纳米簇层，之后是氧化铟/氧化锌辅助层。此外，任一层或两个层可用例如硅进行掺杂。还注意到，通过沉积包含氧化物的材料作为涂层的第二层，可使涂层更易于接合其它材料。为了进行说明，例如，可沉积例如金的金属纳米簇层，之后沉积包含TiInO的第二层。但是，层的这种顺序不是必要的，层可按照任何顺序来沉积，即首先是金属或氧化物/碳化物/氮化物，之后是另一个。两个层可使用同样的沉积技术来沉积，或者可采用不同的沉积处理。

此外，虽然初始层优选作为纳米簇层来沉积，但是辅助或后续涂敷层可作为更厚的纳米簇层或者作为所述近似厚度的薄膜层来沉积。甚至在使用后一种薄膜构造的情况下，初始纳米簇层也提供对到金属线圈的涂层金属扩散的阻挡。

至少包括本文所提供的初始沉积层和辅助沉积层的多层涂层不仅解决石英或其它灯外壳与电极/箔组件之间的热失配问题，而且还用于减少钼箔的氧化。在其中涂敷层为金或铂的那种情况下，由于这些金属不会氧化，因此，一旦沉积了涂层，就不存在灯故障因电极组件的氧化故障而引起的可能性。备选地，如果涂敷层由例如氧化锌或氧化铟或者已经处于氧化状态的任何其它材料组成，则进一步的氧化是不可能的或者只是可忽略不计的。因此，在任一种情况下，发明的至少包括初始纳米簇层和辅助层、沉积到灯的箍缩区域中箔/线圈组件上的纳米簇涂层防止电极和箔/线圈出现引起缩短灯寿命的氧化故障。这特别在平均大约500℃至600℃的较高工作温度下是重要的。在这个范围的高温下，箔/电极组件的氧化因钼扩散和氧化而更快进行。

在沉积涂层之前，可蚀刻箔的表面，以便呈现大于100nm的粗糙度。这种蚀刻工艺用于增强箔对石英外壳的适应性。当石英外壳经受箍缩工艺时，石英由于该工艺的温度而变软和变粗糙。这产生两个问题。首先，石英这时在它用于建立与平滑的箔的密封的区域中是粗糙的，从而使得难以建立将完全控制氧进入到电极组件的良好密封。第二个问题在灯使用期间当石英和箔遇到热失配时出现。最理想地，箔随石英膨胀和收缩。使箔的表面粗糙是帮助避免这些问题的一种方法。如果使箔表面粗糙，则当石英在箍缩工艺中经过软化和粗糙化时，箔和石英的粗糙化表面可在某种程度上互锁，从而允许箔在其膨胀和收缩时与石英的更好密封和更好运动。粗糙化还可通过在钼箔上沉积硅石颗粒来引起。但是，即便通过粗糙化箔表面，密封也不会是氧不漏(oxygen-tight)的，并且箔由于材料的热失配而不会呈现相同的运动。本文的涂层通过提供箔与石英之间的增强密封以及通过提供增强的滑动来解决这些问题。另外，由于涂层组成，即使氧泄漏到电极组件区域，非氧化涂层也消除箔氧化的可能性。此外，涂层组成显著减少箔与石英之间的热失配。

纳米簇涂敷层还提供另一个优点。涂层还可用作减振弹簧(dampening spring)。这在石英外壳开始吸收由于灯工作所产生的热量时出现。在灯的箍缩区域中沉积的热应力，在没有纳米簇涂层的常规灯中可引起外壳软化或电极氧化退化以及其它类型的故障，改为由纳米簇涂敷层来吸收。这种热能由涂敷层的吸收使箔组件稳定，或者提供针对生热退化的传播的减振效果，因而停止潜在的灯故障。

可选地，可在沉积涂层期间添加一个或多个附加层。因此，附加层的厚度可高达大约5nm。如果被添加，则这个层用于提供涂敷层对石英的进一步适应性，并且可由以上所述的氧化物中的任一种来形成并且通过任何已知的沉积技术来沉积。

为了测试根据本公开的涂层结构，包括常规钼箔/电极组件的灯涂敷有通过溅射沉积的10nm Ni/Au纳米簇层，并且覆涂(over-coated)有呈现200-400nm之间厚度的TiO₂/Si氧化层。两种层的沉积使用在300-400℃进行的溅射沉积工艺来进行。在沉积涂层之前，使钼箔/电极组件达到200℃的温度，并且将其保持在该温度，直至在沉积之后大约30分钟排空沉积室。涂层以2A/sec的速率沉积。在沉积期间，衬底以大于30度的角恒定旋转，以便确保均匀但粗糙的覆盖。

一旦完成涂敷工艺，则用两种方式进行比较测试。第一种包括耐热测试(oven test)。经涂敷的钼箔/电极组件和处于未涂敷状态的等同电极组件置于开放式空气炉中，其温度升高到600℃。在模拟升高的工作温度的该温度下，如上文根据本文中的公开所提出的那样涂敷的钼箔在超过50个小时以后没有呈现氧化退化。比较起来，未经涂敷的钼箔在该高温下仅在2分钟之后便出故障，该故障通过未经涂敷的箔的氧化和破裂在视觉上显而易见。

在第二测试中，箔经过电力循环(power cycling)。具体来说，经涂敷和未经涂敷的箔经过以30周期/天的速率循环通过箔的28安培(amp)电力。这种测试方式可比得上实际灯在700℃工作300个小时。仅在20个周期之后，未经涂敷的箔就出了故障，并且可能不再支持所施加的电荷。相比之下，经涂敷的箔在整个测试期间持续支持所施加的电荷，在这个时间结束时，经涂敷的箔仅呈现细微并且几乎不可见的退化迹象。经检查确认，未经涂敷的箔在箍缩工艺期间在钼氧化物外壳界面处遇到退化，这通过应力梯级(riser)所证明。图3清楚地示出所述的应力梯级。但是，经涂敷的电极组件在测试50个小时之后进行检查时没有显示应力梯级的迹象。使用偏光器(Polariscope)在光学上映射所测试箔箍缩区域中存在的应力特征，确定未经涂敷的箔组件呈现两倍根据本发明涂敷的箔组件所遇到的应力。

推广上述结果确定本公开的涂层在箍缩工艺期间以及在工作中对箔组件的影响。首先，结果表明在超过600℃的工作温度下涂层保持有粘着力地接合到箔组件的能力。这对于在其中除了积聚热能之外高温也使灯过早出故障的某些灯应用中的使用是关键的。这个结论通过测试之后在经涂敷的组件上没有裂缝形成和氧化得到支持。完全预期，本文所述的涂层将适合用于任何数量的呈现金属/陶瓷系统中热失配的潜在问题的应用。

参照优选实施例描述了本发明。显而易见，通过阅读和理解前面的详细描述，修改和变更将是本领域技术人员会想到的。预计本发明被理解为包括所有这类修改和变更。

Claims (21)

1.一种设置在放电灯的电极组件上的阻挡层，至少包括非氧化材料的纳米簇层。

2.如权利要求1所述的阻挡层，其中，所述非氧化材料为金属。

3.如权利要求1所述的阻挡层，其中，所述非氧化材料为金属氧化物。

4.如权利要求1所述的阻挡层，其中，所述非氧化材料是选自包括金、硅、铂、铼和锇的组的材料。

5.如权利要求1所述的阻挡层，其中，所述非氧化材料为Ni-Mo-Cr合成材料。

6.如权利要求1所述的阻挡层，其中，所述阻挡层包括两个或多个层，所述两个或多个层中至少一层是包含非氧化金属的层。

7.如权利要求6所述的阻挡层，其中，所述阻挡层包括具有纳米簇形式的第一层，以及其中第二层是氧化层，并且所述涂层具有高达1500nm的厚度。

8.如权利要求7所述的阻挡层，其中，所述阻挡层包括选自TiO₂、ZO₂、InO、Al₂O₃、TiInO、SrTiO、LaSrTiO、CuAlS、氧氮化物、碳氮化物、硫化物和硼化物的第二层。

9.如权利要求7所述的阻挡层，还包括一个或多个附加非氧化材料层。

10.一种用于放电灯的电极组件，包括具有与其附连的箔的电极以便产生电极组件，所述组件涂敷有多层涂层，所述多层涂层至少包括具有不小于4/5nm的厚度的非氧化材料层并至少包括一个附加非氧化材料层，使得总涂层厚度高达1500nm。

11.如权利要求10所述的电极组件，其中，所述第一涂敷层在至少400℃的温度下沉积。

12.如权利要求10所述的电极组件，其中，所述第一涂敷层以纳米簇的形式沉积。

13.如权利要求10所述的电极组件，其中，所述非氧化材料为金属或金属氧化物。

14.如权利要求10所述的电极组件，其中，所述涂层的所述层包括相同材料。

15.如权利要求10所述的电极组件，其中，所述第一涂敷层为金属，而所述第二涂敷层为氧化物。

16.一种减少电极组件与放电灯外壳之间的热膨胀失配的方法，所述方法包括：

提供电极组件；

在所述电极组件的表面上沉积至少具有非氧化材料的纳米簇层的涂层；以及

使所述电极组件区域中的灯外壳经过箍缩以便产生箍缩区域，所述放电灯在高温下在超过1000小时的延长时期呈现持续工作。

17.如权利要求15所述的方法，其中，所述电极组件至少包括电极和箔。

18.如权利要求15所述的方法，其中，所述涂层除了所述纳米簇层之外还至少包括第二层。

19.如权利要求17所述的方法，其中，所述涂层的所述纳米簇层包括非氧化金属，并且所述至少一个第二层包括氧化物组成。

20.如权利要求15所述的方法，其中，所述放电灯可工作在超过600℃的温度，而没有遇到因氧化或热失配而引起的灯故障。

21.一种包括含有电极组件的外壳的放电灯，所述电极组件具有非氧化涂层，所述非氧化涂层至少具有一个纳米簇层，并且可工作在超过600℃的温度超过1000小时而没有遇到因所述电极组件的氧化或者所述电极组件与所述外壳之间的热失配而引起的灯故障。

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