專利名稱：具有亞微米晶粒尺寸的高總透射比氧化鋁放電容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有亞微米晶粒尺寸的高總透射比氧化鋁放電容器。
背景技術(shù)：
目前，采用半透明多晶氧化鋁(PCA)陶瓷制成高壓鈉(HPS)和陶瓷金屬鹵化物燈已經(jīng)成為可能。在這些應(yīng)用中的弧光放電容器必須能夠經(jīng)受在操作燈的過(guò)程中產(chǎn)生的高溫和高壓以及必須抵抗由填充材料帶來(lái)的化學(xué)侵蝕。另外，為了在商業(yè)照明應(yīng)用中便于使用，放電容器一般要求具有在約為400nm至700nm的可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)大于92％的總透射比。
在HPS燈中，放電容器是管狀的；而對(duì)陶瓷金屬鹵化物燈來(lái)說(shuō)，放電容器可以包括從圓柱形狀到近似球形(膨脹的)不等。這些類型的弧光放電容器的實(shí)例分別在歐洲專利申請(qǐng)No.0 587 238A1和美國(guó)專利No.5,936,351中給出。帶有半球形端的膨脹形狀產(chǎn)生更均勻的溫度分布，從而導(dǎo)致燈的填充物對(duì)PCA侵蝕的減少。
因?yàn)镻CA是半透明和不透明的，PCA的使用限于非聚焦光束燈應(yīng)用。雙折射晶粒散射是規(guī)則的、燒結(jié)的PCA中軸向透射比損失的主要原因，并且軸向透射比通常隨晶粒尺寸的增大而增加。將經(jīng)燒結(jié)-HIP的PCA的晶粒度減至亞微米范圍(＜1微米)改變了散射機(jī)制，從而減少了晶粒雙折射散射。在亞微米范圍內(nèi)，軸向透射比實(shí)際上隨著晶粒尺寸的減小而增加。亞微米晶粒PCA的高軸向透射比和機(jī)械強(qiáng)度對(duì)聚焦光束、短弧燈是重要的，它提供了改進(jìn)的亮度、效力和彩色再現(xiàn)。
在制造氧化鋁放電容器的過(guò)程中，為了延緩晶粒生長(zhǎng)并且在釘扎晶界時(shí)促進(jìn)晶界擴(kuò)散，一般需要將氧化鎂(MgO)作為燒結(jié)輔助材料。與基于微米尺寸的原始粉末的大晶粒(10-30微米)氧化鋁相比，基于納米尺寸的原始粉末的亞微米氧化鋁陶瓷通常需要更高水平的MgO以此達(dá)到全密度。這是因?yàn)榧{米尺寸的粉末需要更高水平的MgO摻雜劑來(lái)覆蓋更細(xì)顆粒的表面。而且，和較大晶粒的氧化鋁不同，基于MgO的摻雜劑(如～200-300ppm)在晶格和晶界區(qū)域內(nèi)完全溶解。結(jié)果，包括了多種帶有一個(gè)或兩個(gè)電子的單和雙氧空位的色心的高水平可刑成。這些色心吸收光，這導(dǎo)致?lián)诫sMgO的亞微米晶粒氧化鋁放電容器的低總透射比(～78％)，盡管所述放電容器有高軸向透射比。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過(guò)后-燒結(jié)-HIP退火克服了摻雜MgO的亞微米晶粒氧化鋁放電容器中低總透射比的問(wèn)題。退火被認(rèn)為改變了色心的締合狀態(tài)和離子化，但是未明顯改變氧空位的總數(shù)?？刂仆嘶饸夥盏臏囟取r(shí)間和氧分壓以使光吸收氧空位的有效部分被轉(zhuǎn)換至非光吸收氧空位，而同時(shí)維持穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)(無(wú)顯著的晶粒生長(zhǎng)或鋁酸鎂尖晶石第二相顆粒的析出)。結(jié)果，后-燒結(jié)HIP退火有效地產(chǎn)生了在約為400nm至700nm的范圍內(nèi)直到＞92％的總透射比，適合商業(yè)燈應(yīng)用的水平。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種制作陶瓷放電容器的方法，包含(a)形成帶有摻雜了MgO的亞微米晶粒的氧化鋁粉末的放電容器；(b)對(duì)放電容器進(jìn)行燒結(jié)-HIP；以及(c)對(duì)放電容器進(jìn)行退火以此使放電容器的總透射比在約為400nm至700nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)增至＞92％。
按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，所提供的陶瓷放電容器包含由摻雜了MgO的亞微米晶粒氧化鋁構(gòu)成的陶瓷體，放電容器具有在約為400nm至700nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)大于92％的總透射比。
可以預(yù)計(jì)PCA另外共摻雜了ZrO2、Y2O3、Er2O3、Yb2O3、Sc2O3等可改變點(diǎn)缺陷的相對(duì)數(shù)，但是可預(yù)計(jì)由于MgO的存在而使低總透射比問(wèn)題仍然存在。因此，本發(fā)明的方法應(yīng)當(dāng)對(duì)增加這樣的共摻雜氧化鋁陶瓷的總透射比是有用的。


圖1是按照本發(fā)明的膨脹形放電容器的橫截面圖。
圖2是測(cè)量放電容器總透射比的裝置的示意圖。
圖3是在圖2所示裝置中使用的光纖錐形端的放大視圖。
具體實(shí)施例方式為了更好地理解本發(fā)明、以及本發(fā)明其它的和進(jìn)一步的目的、優(yōu)點(diǎn)和能力，可參考下面所公開(kāi)的內(nèi)容及所附權(quán)利要求書并結(jié)合上述附圖。
圖1是按照本發(fā)明的弧光放電容器的橫截面圖?；」夥烹娙萜?1具有由摻雜MgO的亞微米晶粒多晶氧化鋁構(gòu)成的陶瓷體23。陶瓷體23具有在大約400nm至大約700nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)大于92％的總透射比。更可取的是，在相同的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的總透射比大于95％。所述的體23界定了弧光放電空腔25并帶有兩個(gè)從放電空腔25以相反的方向向外延伸的毛細(xì)管27。最好是，放電空腔壁的厚度約為0.8mm。毛細(xì)管適合容納并于此密封電極組件(圖中未顯示)，為了在放電空腔內(nèi)起弧并維持弧光，電極組件提供了導(dǎo)電路徑以向放電容器供電。盡管圖1所示的實(shí)施例是膨脹形弧光放電容器，但是本發(fā)明弧光放電容器的其它適當(dāng)形狀包括與HPS弧形管相似的管狀弧光放電容器。
由高純度、微粒氧化鋁粉末制成的陶瓷放電容器可通過(guò)等靜壓成形、流鑄、凝膠鑄造或注射成形可被加固。MgO摻雜劑通常在加固之前被添加到氧化鋁粉末中。最好是，氧化鋁粉末中的MgO摻雜劑在大約200ppm至大約800ppm的范圍內(nèi)并且氧化鋁粉末的平均粒度約為150nm。制造放電容器的半成品陶瓷體的各種方法的細(xì)節(jié)在比如歐洲專利No.0 650 184 B1(流鑄)、美國(guó)專利No.6,399,528(凝膠鑄造)、國(guó)際專利申請(qǐng)No.WO2004/007397 A1(流鑄)和歐洲專利申請(qǐng)No.EP 1 053 983 A2(等靜壓成形)中進(jìn)行了描述。
在單片、空心容器(如膨脹形放電容器)的情形下，短效核心可與成形(如凝膠澆鑄)方法一起用來(lái)制成放電容器。為了在成形后去掉所述的核心，包含短效核心(如蠟)的半成品主體被緩慢加熱至所述核心的熔點(diǎn)(對(duì)于蠟來(lái)說(shuō)為～50℃)，以使熔化的核心材料滴下來(lái)并從內(nèi)腔流出去。在優(yōu)選的方法中，粘合劑材料通過(guò)在流動(dòng)的空氣中緩慢加熱至800℃而被去掉。太快的加熱速度會(huì)造成粘合劑在稠密的粉末坯塊內(nèi)截留，這可導(dǎo)致最終燒結(jié)-HIP的樣本帶有灰色調(diào)。在1250-1270℃下于空氣中進(jìn)行2個(gè)小時(shí)的預(yù)燒結(jié)可達(dá)到閉合氣孔的狀態(tài)。在1270℃下于～10ksi氬氣內(nèi)對(duì)預(yù)燒結(jié)部分進(jìn)行熱等靜壓(HIPed)和燒結(jié)處理。
通過(guò)照亮鹵鎢燈的小燈管的一端、將其另一端放進(jìn)空心主體內(nèi)，并測(cè)量在大約400nm至大約700nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)從放電容器中流出的光的總積分通量可測(cè)量放電容器的總透射比。圖2顯示的是用于測(cè)量總透射比的裝置的示意圖。樣本11(在這個(gè)例子中為管狀容器)通過(guò)支架9被安裝在積分球3的中心區(qū)域，該支架9將樣本11固定在相反端。擋板13被放置在樣本11和檢光器15之間。光纖7被插進(jìn)其中一個(gè)支架9內(nèi)并進(jìn)入樣本11的中心部位。光從鹵鎢燈5被引導(dǎo)穿過(guò)光纖7。如圖3所示，為了散射發(fā)射的光以此生成近似點(diǎn)光源，被放進(jìn)樣本內(nèi)的光纖7的光發(fā)射端17相對(duì)于光纖的圓柱軸有20°的錐度。從光纖末端發(fā)射的光穿過(guò)樣本壁并且被積分球收集，總積分通量被檢光器(最好是未濾光硅檢測(cè)器)測(cè)量。傳過(guò)樣本的總積分通量的百分率(與單獨(dú)的光纖發(fā)射的總積分通量比較)表示樣本的總透射比。因?yàn)樗芰瞎饫w的透射比在可見(jiàn)光譜的兩端(即小于約400nm和大于約700nm)減少，在大約400nm至大約700nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)總透射比被有效地測(cè)量。裝置的適當(dāng)部件可從NH North Sutton的Labsphere公司獲取。
示例
通過(guò)燒結(jié)-HIP制成盤片形(直徑為～25mm、厚度為0.8mm)和70W膨脹形放電容器。原始亞微米晶粒氧化鋁粉末的平均粒度為150nm并被摻雜了220ppm的MgO。對(duì)于盤片來(lái)說(shuō)，所測(cè)得的軸向透射比在同一盤片內(nèi)以及盤片與盤片之間一般是非常均勻的。所制成的燒結(jié)-HIP的主體帶有少量的殘余氣孔。平均粒度約為0.5微米。將使用通過(guò)電子掃描顯微鏡(SEM)所獲得的圖像測(cè)得的截距尺寸乘上1.5的因數(shù)來(lái)確定粒度。
所測(cè)得的經(jīng)燒結(jié)-HIP的放電容器(壁厚度為0.8mm的拋光或非拋光的)的總透射比值相當(dāng)?shù)停淇偼干浔鹊姆秶?9-78％之間，平均約為77％。拋光的、厚度為0.8mm的盤片在600nm時(shí)的光譜光度計(jì)軸向透射比被測(cè)得是50-55％。在1025-1150℃下于空氣中經(jīng)過(guò)不同持續(xù)時(shí)間(2-4小時(shí))的退火之后，經(jīng)燒結(jié)-HIP的亞微米晶粒氧化鋁容器的總透射比增加到87-98％(表1)。總透射比中的散射可被認(rèn)為是不同程度的點(diǎn)缺陷造成的，不同程度的點(diǎn)缺陷是由熱等靜壓中特定位置的氧分壓造成的。30個(gè)經(jīng)退火的容器中只有大約10個(gè)是完全無(wú)色的，而其中的大多數(shù)呈褐色。這種不合乎需要的褐色被認(rèn)為是與點(diǎn)缺陷有關(guān)的。褐色是空氣退火不能使許多容器的總透射比增至＞92％的一個(gè)原因。
總透射比保持不變，即使在1100℃下于濕氫中經(jīng)過(guò)2個(gè)小時(shí)重新燒制容器之后。因?yàn)闈駳錈埔话阍黾恿烁蓺?非常低的P02)-燒結(jié)的PCA的透射比，在該情形中總透射比保持不變的事實(shí)表示在HIP期間氧分壓可能比干H2環(huán)境下的氧分壓(P02＜1×10-12atm)降的更低。
如表1所示(圓括號(hào)內(nèi)給出的是軸向透射比)，在1100℃下于Ar-5ppm O2氣氛中(P02＝5×10-6atm)使若干經(jīng)空氣退火的樣本經(jīng)過(guò)2小時(shí)的退火可使亞微米晶粒放電容器的總透射比從87-96％增加到91-97％。這些樣本還變?yōu)榭雌饋?lái)是無(wú)色的。這意味著在使光吸收色心最小化方面，在退火氣氛中5×10-6atm的P02要比空氣(P02～0.2atm)或濕氫(P02＜1×10-12atm)的更好。
在后-燒結(jié)-HIP退火中的P02和溫度范圍由點(diǎn)缺陷的熱力學(xué)及其擴(kuò)散速度來(lái)表示，而退火時(shí)間和MgO水平依賴于最終部分的厚度和原始粉末的粒度。最好是，退火氣氛是惰性氣體(如氮或氬)，其具有的氧分壓為大約1×10-3atm至大約1×10-9atm，最好是大約1×10-5atm至大約1×10-7atm。
如果退火溫度太高，將形成尖晶石析出，發(fā)生軸向透射損失并且晶粒/殘余氣孔逐漸使部分變得不透明。退火溫度最好可在大約1000℃至大約1150℃之間變化，同時(shí)退火時(shí)間最好可在大約1小時(shí)至大約20小時(shí)之間變化。在更優(yōu)選的實(shí)施例中，退火溫度約為1100℃并且退火時(shí)間約為2小時(shí)。
表1-退火之前和之后的總透射比(％)(及軸向透射比(％))
UHP-級(jí)別N2氣一般包含0.1-1ppm氧(P02＝0.1-1×10-6atm)并且同樣應(yīng)當(dāng)是有利于退火的氣體。表2顯示了在1100℃下于氮?dú)庵薪?jīng)過(guò)2小時(shí)的退火后總透射比增加到＞92％。而且，在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中顯示了在1150℃下于UHP-級(jí)別N2中經(jīng)過(guò)20小時(shí)的直接退火使經(jīng)燒結(jié)-HIP的亞微米晶粒放電容器的總透射比從74.5％增至97.2％。
表2-各種退火之前和之后的總透射比(％)(以及軸向透射比(％))
數(shù)據(jù)清楚地表明了后-燒結(jié)-HIP退火在使總透射比增加至＞92％(商業(yè)照明應(yīng)用所要求的水平)方面的好處。退火溫度和時(shí)間符合微觀結(jié)構(gòu)所要求的溫度限制和透明度(軸向透射比)穩(wěn)定性。
雖然已經(jīng)示出和描述了所提出的被認(rèn)為是本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例，但是對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見(jiàn)的是只要沒(méi)有背離如所附權(quán)利要求書所界定的本發(fā)明的范圍，在此可進(jìn)行各種改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種制造陶瓷放電容器的方法，包含(a)用摻雜MgO的亞微米晶粒的氧化鋁粉末制成所述放電容器；(b)對(duì)所述放電容器進(jìn)行燒結(jié)-HIP處理；以及(c)對(duì)所述放電容器進(jìn)行退火以此使所述放電容器的總透射比在大約400nm至大約700nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)增至＞92％。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中對(duì)所述放電容器在大約1000℃至大約1150℃下進(jìn)行退火。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中對(duì)所述放電容器退火大約1個(gè)小時(shí)至大約20個(gè)小時(shí)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中對(duì)所述放電容器在大約1100℃下退火大約2個(gè)小時(shí)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在包含大約1×10-3atm至大約1×10-9atm的氧分壓的氣氛中對(duì)所述放電容器進(jìn)行退火。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述氧分壓為大約1×10-5atm至大約1×10-7atm。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中對(duì)所述放電容器在大約1000℃至大約1150℃下進(jìn)行退火。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中對(duì)所述放電容器退火大約1個(gè)小時(shí)至大約20個(gè)小時(shí)。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述放電容器用摻雜了大約200ppm至大約800ppm的MgO的亞微米晶粒氧化鋁粉末制成。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述放電容器用摻雜了大約200ppm至大約800ppm的MgO的亞微米晶粒氧化鋁粉末制成。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述亞微米晶粒氧化鋁粉末的平均粒度約為150nm。
12.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述退火氣氛由氮或氬組成。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述退火氣氛由氮或氬組成。
14.一種陶瓷放電容器包含由摻雜MgO的亞微米晶粒氧化鋁構(gòu)成的陶瓷體，所述放電容器具有在大約400nm至大約700nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的大于92％的總透射比。
15.如權(quán)利要求14所述的放電容器，其中所述總透射率大于95％。
16.如權(quán)利要求14所述的放電容器，其中所述陶瓷體包含大約200ppm至大約800ppm的MgO。
17.如權(quán)利要求14所述的放電容器，其中所述陶瓷體具有壁厚約為0.8mm的放電空腔。
18.如權(quán)利要求14所述的放電容器，其中亞微米晶粒氧化鋁的平均晶粒尺寸約為0.5微米。
全文摘要
本發(fā)明利用后－燒結(jié)－HIP退火來(lái)增加由摻雜MgO的亞微米晶粒氧化鋁構(gòu)成的陶瓷放電容器的總透射比。在退火后，亞微米晶粒氧化鋁放電容器具有較高的總透射比和軸向透射比的值，并因此適用于聚焦光束、短弧燈。具體地說(shuō)，在大約400nm至大約700nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)放電容器的總透射比被增至大于92％。
文檔編號(hào)C04B35/10GK1835173SQ20061006795
公開(kāi)日2006年9月20日 申請(qǐng)日期2006年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月16日
發(fā)明者G·C·維 申請(qǐng)人:奧斯蘭姆施爾凡尼亞公司