CN1815679A - 陶瓷放电容器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于高强度放电(HID)灯的陶瓷放电容器。所述放电容器包括陶瓷主体和至少一个含有氧氮化铝材料的密封区域。所述密封区域进一步具有用于接触玻璃料的表面层，其中所述表面层比氧氮化铝材料对于密封过程中的玻璃料的反应性更弱。优选地，所述表面层具有比氧氮化铝材料更低的氮含量。所述反应性更弱的表面作用以使在密封过程中密封玻璃料中形成的气泡减至最少。

Description

陶瓷放电容器
技术领域
本发明涉及用于高强度放电(HID)灯的至少部分由氧氮化铝陶瓷构造而成的陶瓷放电容器。更具体而言，本发明涉及用玻璃料(fritmaterial)密封氧氮化铝陶瓷。
背景技术
一般照明用金属陶瓷卤化物灯采用半透明的多晶氧化铝(PCA)放电容器。由于六角形氧化铝晶粒产生双折射，因此PCA是半透明的，而不是透明的。由于透明度不够，因此PCA放电容器通常不适用于聚焦光束短弧灯，例如投射灯和汽车前灯。对于聚焦光束灯而言，需要透明陶瓷，如蓝宝石。
氧氮化铝(AlON)是一种透明的陶瓷材料，其直线(in-line)透射率数值与蓝宝石一样高。AlON具有立方尖晶石型结构且其组成一般可由经验式Al(64+x)/3O32-xNx表示，其中2.75≤x≤5。AlON的机械强度和热膨胀接近PCA的机械强度和热膨胀，使得AlON应能够经受得住高强度放电(HID)灯中的应力。事实上，例如日本专利No.09-92206和美国专利No.5,924,904和5,231,062等多个资料源已证明AlON是一种适用于高强度放电灯的材料。
然而，对于把AlON视为一种用于高强度放电灯的可靠材料而言，还存在多个必须克服的技术难题。其中一个特别是AlON与用于密封放电容器的玻璃/陶瓷玻璃料间的反应。在典型的HID灯中，玻璃料的作用是将放电容器的陶瓷主体隔绝密封到电极组件的馈入部分上。特别是当在放电容器中存在高压时，AlON与玻璃料间的反应导致在玻璃料中形成能够劣化隔绝密封质量和作用的气泡。由此，能够控制或消除这些气泡的形成将是有利的。
发明内容
本发明的一个目的在于避免现有技术中所存在的缺点。
本发明的另一个目的在于控制或消除在密封区域中存在氧氮化铝的陶瓷放电容器的玻璃料密封部中的气泡的形成。
本发明的另一个目的在于提供一种对陶瓷放电容器进行处理以产生比熔化的玻璃料反应性更弱的表面层的方法。
根据本发明的一个方面，提供一种陶瓷放电容器，所述陶瓷放电容器包括陶瓷主体和至少一个含有氧氮化铝材料的密封区域。该密封区域具有用于接触玻璃料的表面层，所述表面层比氧氮化铝材料对于密封过程中的玻璃料的反应性更弱。
根据本发明的另一个方面，提供一种对陶瓷放电容器进行处理的方法。所述方法包括：提供具有陶瓷主体和至少一个含有氧氮化铝材料的密封区域的陶瓷放电容器，并且在还原性气氛中加热至少所述密封区域以形成反应性更弱的表面层。优选地，所述密封区域在N2-8％H2气氛中在约1400℃至约1700℃范围内加热约1至约10分钟。
根据本发明的另一个方面，氧化铝层被沉积到所述密封区域上以形成反应性更弱的表面层。
附图说明
图1是根据本发明的陶瓷放电容器的剖面图；
图2是电极组件已密封在其内的图1所示的陶瓷放电容器的剖面图；
图3是图2所示的放电容器中的一个玻璃料密封区域的放大的剖视图；
图4是示出了在未经处理的氧氮化铝放电容器的玻璃料区域中形成气泡的扫描电镜照片；和
图5是根据本发明的经过处理的氧氮化铝毛细管的剖面的光学显微照片。
具体实施方式
为了更好地理解本发明以及本发明的其它目的、优点和性能，结合上述附图并参考以下公开内容和所附技术方案。
用于密封陶瓷放电容器的优选的玻璃料为Dy2O3-Al2O3-SiO2玻璃-陶瓷体系。由于其卤化物电阻和有利的熔化和热膨胀特征，因此照明设备制造商广泛使用该体系以密封PCA放电容器。Dy2O3-Al2O3-SiO2玻璃料密封部在Dy-Al-Si-O玻璃基质中包含DA(3Dy2O3-5Al2O3)和DS(Dy-Si-O)结晶相。当被密封到PCA部件上时，PCA部件上的一些氧化铝在玻璃料-PCA界面处溶解在玻璃料中，然而，在PCA部件的玻璃料密封部中一般不存在气泡。如前面所述，当相同的玻璃料与氧氮化铝(AlON)部件结合使用时，则不是这种情况。
在密封操作过程中，与熔化的Dy2O3-Al2O3-SiO2玻璃料相接触的AlON反应以变成Al2O3，且有限量的氮溶解在该玻璃料中。通过所述反应生成的绝大部分氮不能溶解在所述玻璃料中并且溢出成为玻璃料熔体中的气泡。从图4中能够看到所述问题的一个实例，图4是示出了玻璃料密封的烧结态AlON毛细管的剖面的扫描电镜(SEM)显微照片。非常明显的是，在玻璃料中存在大气泡。
Dy2O3-Al2O3-SiO2玻璃料与氧氮化铝之间的反应被认为首先是包括根据式(1)形成不足化学计量的氧氮化铝Al23O27N5-x。由于Dy-Al-Si-O玻璃中的氮的水平达到其溶解度，因此形成比可溶解在熔化的玻璃料中的氮气更多的氮气。
(1)
随着以上反应的进行，不足化学计量的Al23O27N5-x最终变为Al2O3和AlN，如式(2)所示。
(2)
为了至少减小上述反应的可能性，本发明包括在放电容器的至少一个玻璃料密封区域中形成反应性更弱的表面层。在一种优选方法中，在还原性气氛中加热AlON放电容器以使所述外表面发生分解从而形成Al2O3和AlN。AlN可进一步与炉中余量分压的氧进行反应以形成Al2O3并由此降低表面层中的氮的量。在存在熔化的玻璃料的情况下，表面层中的Al2O3将倾向于溶解进入玻璃料中，而可能依然存在的AlN根本就不溶解。此外，在所述表面区域中Al2O3和AlN的存在将倾向于使上述反应向左侧移动，由此减少氮气的释放。在另一种可选方法中，表面层包括已经至少沉积到AlON放电容器的密封区域上的氧化铝层。在这种方法中，可采用包括反应溅射法和化学气相沉积法的多种众所周知的工艺中的任一种工艺形成氧化铝层。所述氧化铝层的厚度优选为1-20微米。
参见图1，图中示出了用于金属卤化物灯的陶瓷放电容器1的剖面，其中所述放电容器1具有包含氧氮化铝材料的陶瓷主体3。陶瓷主体3具有自相对侧沿中心轴线6向外延伸的相对的毛细管5。毛细管5具有用于接收电极组件的中心孔9和邻近毛细管5远端11的密封区域8。密封区域8具有用于接触玻璃料的表面层7。所述表面层7比氧氮化铝材料对于密封过程中的熔化的玻璃料的反应性更弱。优选地，表面层7比本体氧氮化铝材料具有更低的氮含量。
所述反应性更弱的表面层作用以使在密封过程中玻璃料中形成的气泡减至最少。尽管优选的是整个放电容器由氧氮化铝制成，但是这对于本发明来说不是必要的。本发明还同样适用于使用其它陶瓷材料与AlON相结合的陶瓷放电容器，条件是只要AlON被用在密封区域中即可。在整个放电容器由氧氮化铝制成的情况下，优选对包括密封区域的整个放电容器进行处理，从而减少处理步骤的数量。然而，所述处理不应大体上不利地影响所述容器的透明度。否则，所述处理应限于所述密封区域和其它一些在光学上不太重要的部分。
图2示出了图1所示的陶瓷放电容器，其中电极组件20已密封到毛细管5上。放电室12中含有金属卤化物填充材料，所述金属卤化物填充材料通常可包括汞，外加金属卤化物盐例如NaI、CaI2、DyI3、HoI3、TmI3和TlI，的混合物。放电室12中还含有缓冲气体，例如30-300托的Xe或Ar。也可以使用更高的充注气体压力，例如在20℃下高达30巴的Xe。这种更高的压力对于需要瞬时启动的灯例如车灯来说是有用的。在本实施例中的电极组件由铌馈入装置22、钨电极26和钼线圈24构造而成，所述钼线圈24绕在焊接在钨电极26和铌馈入装置22之间的钼或者Mo-Al2O3金属陶瓷杆上。钨线圈30或者形成电弧附接点的其它适当的装置可被附到钨电极的端部上。
玻璃料17在电极组件20和毛细管5之间形成隔绝密封。这可由图3更好地示出。处于熔化状态的玻璃料17沿电极组件20流至钼线圈24。密封区域8根据本发明已在前进行过处理而形成反应性更弱的表面层7，从而减弱与熔化的玻璃料的反应。一旦固化后，玻璃料17在电极组件20和毛细管5之间形成隔绝密封。在金属卤化物灯中，通常所希望的是将玻璃料透过进入毛细管中的情况减至最少，从而防止与腐蚀性金属卤化物填料发生不利反应。
优选的玻璃料为具有以下组成的Dy2O3-Al2O3-SiO2玻璃料，其中所述组成中包括重量百分比为67-68％的Dy2O3、重量百分比为11-16％的Al2O3和重量百分比为22-13％的SiO2。也可以使用其它的氧化物基玻璃料，例如Dy2O3-Al2O3-SiO2-La2O3和Dy2O3-Al2O3-SiO2-MoO3。玻璃料在约1350℃条件下开始熔化。典型的玻璃料密封循环包括：在真空条件下加热至约1000℃，短时间内保持处于1000℃，充注氩气，快速加热至1500℃-1650℃，保持处于1500℃-1650℃，然后快速冷却以使玻璃料固化。冷却后的结晶作用在玻璃基质内产生多个结晶相的复杂混合物。
实例
在N2-8％H2气氛中在1000℃和1200℃条件下进行实验100小时以测试AlON的稳定性。使用烧结态AlON毛细管。在N2-8％H2气氛中在1000℃条件下进行实验100小时之后，AlON部件保持清洁和透明；而在N2-8％H2气氛中在1200℃条件下进行实验100小时之后，AlON部件变为半透明。
光亮的部分表示在N2-8％H2气氛中在1200℃条件下经过100小时处理的AlON的表面区域中形成了AlN和Al2O3。参见图5，图5示出了毛细管的剖面的光学显微照片。在所述AlON毛细管的边缘处，该表面层呈现出颜色略浅的带状区域。通过能量散射X射线(EDX)分析进行进一步的研究发现：与本体AlON相比，该表面层上没有可检测到的氮存在，这与AlON表面发生分解相一致。
所希望的是把AlON的分解限制在相对较薄的表面层中，从而使得AlON部件仍然是半透明的。所述层厚优选为1-20微米。还可以使用其它气氛例如空气(AlON变为Al2O3)，但是干燥或湿的氢(AlON变为AlN)，或者真空(AlON变为不足化学计量的AlON)会造成分解过于剧烈或几乎不发生分解。需要更精确的控制以便限制分解量。在N2-8％H2气氛中，分解相对易于进行控制，从而使得仅在所需的表面层上发生分解。
在N2-8％H2气氛中在1650℃条件下对另一组烧结态AlON毛细管进行处理1分钟和10分钟。选择温度为1650℃，是因为1650℃是大体上通常Dy2O3-Al2O3-SiO2玻璃料密封条件的温度。经过预热处理的AlON毛细管连同对照样品(烧结态AlON和PCA)在多种条件下进行密封，所述条件例如Dy2O3-Al2O3-SiO2玻璃料位于W-元件中，Mo保护炉处于真空或不同的氩气静压条件下(0.3托-300托到1巴)。铌引线被插入毛细管的端部中，然后玻璃料环被安放在所述引线的伸出端上面并且接近所述毛细管的端部。所述毛细管沿垂直方向与安放在顶部的玻璃料环密封在一起。在进行玻璃料密封实验的过程中氩气的压力被发现会对玻璃料自身的分解产生影响。在高温(1400℃-1600℃)真空条件下，玻璃料自身会产生汽化。氩气静压对于防止玻璃料发生过早汽化是有必要的。
进行预处理以形成反应性更弱的表面层仅改变了AlON的表面，而不会显著地影响到毛细管的半透明度(这在熔化过程中对于观察玻璃料流动而言是所要求的)。经过预处理的AlON毛细管与烧结态AlON对照样品相比明显具有更少的气泡。这表明对氧氮化铝(AlON)放电容器的密封区域进行预处理至少会减小在密封过程中在玻璃料中产生气泡的可能性。
虽然已结合被认为优选的实施例对本发明进行了描述，但是对于本领域的技术人员而言明显的是，在不偏离由所附技术方案所限定的本发明的范围的条件下可对本发明作出多种改动和变型。

Claims (19)

1、一种陶瓷放电容器，所述陶瓷放电容器包括陶瓷主体和至少一个含有氧氮化铝材料的密封区域，所述密封区域具有用于接触玻璃料的表面层，所述表面层比氧氮化铝材料对于密封过程中的玻璃料的反应性更弱。
2、根据权利要求1所述的陶瓷放电容器，其中整个所述放电容器包含氧氮化铝材料。
3、根据权利要求1所述的陶瓷放电容器，其中所述陶瓷放电容器具有两个密封区域。
4、根据权利要求1所述的陶瓷放电容器，其中所述放电容器具有至少一个自陶瓷主体向外延伸的毛细管且所述密封区域位于毛细管中。
5、根据权利要求1所述的陶瓷放电容器，其中所述表面层具有比氧氮化铝材料更低的氮含量。
6、根据权利要求1所述的陶瓷放电容器，其中所述表面层中包含氧化铝。
7、根据权利要求6所述的陶瓷放电容器，其中所述表面层的厚度为1-20微米。
8、一种陶瓷放电容器，包括：陶瓷主体和至少一个密封区域，所述放电容器包含氧氮化铝材料，所述密封区域具有用于接触玻璃料的表面层，所述表面层具有比氧氮化铝材料更低的氮含量。
9、根据权利要求8所述的陶瓷放电容器，其中所述表面层中包含氧化铝。
10、根据权利要求8所述的陶瓷放电容器，其中所述表面层的厚度为1-20微米。
11、一种处理陶瓷放电容器的方法，包括以下步骤：
(a)提供具有陶瓷主体和至少一个含有氧氮化铝材料的密封区域的陶瓷放电容器；以及
(b)在还原性气氛中加热至少所述密封区域以形成比氧氮化铝对于密封过程中的玻璃料反应性更弱的表面层。
12、根据权利要求11所述的方法，其中所述表面层具有比氧氮化铝更低的氮含量。
13、根据权利要求11所述的方法，其中所述还原性气氛中含有N2-8％H2的气体混合物。
14、根据权利要求13所述的方法，其中所述密封区域被加热至在约1400℃-约1700℃范围内的一定温度。
15、根据权利要求14所述的方法，其中所述密封区域被加热约1分钟-约10分钟。
16、根据权利要求14所述的方法，其中所述表面层具有比氧氮化铝更低的氮含量。
17、根据权利要求1所述的陶瓷放电容器，其中所述玻璃料包括Dy2O3、Al2O3和SiO2。
18、根据权利要求8所述的陶瓷放电容器，其中所述玻璃料包括Dy2O3、Al2O3和SiO2。
19、根据权利要求11所述的方法，其中所述玻璃料包括Dy2O3、Al2O3和SiO2。
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