纳米 特制陶瓷HID灯阴极的研究

阴极是电光源产品的一个核心部件，它决定着电光源的性能(特别是使用寿命)。大多数气体放电灯(HID灯)的损坏，都是由于阴极的性能劣化或失效而引起的。
使用纳米陶瓷粉体材料特殊制造电光源的阴极，是中国发明专利技术。
纳米特制陶瓷HID灯阴极具有激活反应速度快、无须分解、不释放有害气体、发射性能好、耐轰击能力强、使用寿命长等优点，完全可以取代传统钨、钼、钍、镧等及其合金阴极或其他任何金属阴极用于气体放电灯及其他电子真空器件中，是电光源阴极的换代产品。特别是在HID灯的高速生产线中使用，将会对气体放电光源技术带来一场革命。
一、选材与配制
1. 纳米粉体电子发射材料
混合金属弱酸盐，沉淀部分原料的水合物，将其加热以除去结晶水，制备电子发射物质的纳米粉体陶瓷材料。这种方法的优点是：
①整个反应为均相反应，所用的反应物均为完全溶于水的物质。因此，可得到纳米级粒度；
②所用材料纯度均为分析纯，得到的产物纯度较高；
③沉淀生成的产物是离子晶体混合物，与机械混合反应物相比，其功函数极小，发射量极大。
将按此法生产的纳米粉体材料经特殊制造工艺而成为纳米陶瓷阴极，用于制造HID灯管，并且经过国家轻工业部质量检测中心检测可知，其各项性能指标完全满足HID灯制造工艺的技术要求。
2. 纳米粉体加入剂XG
衡量阴极性能好与坏的技术指标是它的发射性能、蒸发性能和耐轰击性能。为提高阴极耐正离子轰击的能力，减少发射材料的蒸发，需在上述制成的纳米粉体材料中加入XG。
在纳米特制陶瓷阴极的基体里熔有XG，它无疑增加了基体的机械强度及瓷层的电导，防止了基金属在热冲击下发脆，改善了瓷层与基体之间的粘合性能，避免了由于基金属扩散到瓷层中激活剂的氧化以及基金属的氧化。从根本上克服了传统钨、钼、釷、镧等及其合金阴极长期以来难以解决的易形成中间电阻的问题。
加入XG是因其热导率低，可降低阴极的蒸发速度；它的膨胀系数在1380℃时约为5×10－6cm/℃和基金属相近，使陶瓷层和基金属结合紧密，耐振动而不脱落。而且，XG与自由导电原子发生反应时，生成的复合盐浆有极好的耐正离子轰击能力，不易溅射，能降低阴极中间层的电阻，使瓷层不易过热，从而达到抑制蒸发的目的。另外，加入XG还会影响基金属界面因化学反应所释放的自由导电原子的扩散系数，从而改善激活性能。而且加入XG容忍活性气体的存在。因此，纳米粉体阴极材料中加入XG后，阴极发射瓷层的性能得到改善，寿命得以延长。
从微观分析结果看，在纳米特制陶瓷HID灯阴极基金属(镧钨合金或纯性镍)表面，支取电流的中心区域和不支取电流的边缘区域，成分和形貌有很大差别。纳米特制陶瓷HID灯阴极支取电流的中心部分，其基金属晶界处几乎没有外来杂质。在不支取电流的边缘区域，基金属表面晶界处有少量外来杂质的微小晶粒。
在纳米特制陶瓷HID灯阴极基金属中，含少量活性金属原子。阴极工作期间，这些活性金属原子沿着基金属晶界向表面扩散。在瓷层中或瓷层与基金属表面处与纳米特制陶瓷粉体反应生成盈余的自由导电原子在阴极涂层中起激活剂的作用。
2RXO＋YX→YXO2＋2RX
阴极涂层中盈余自由导电原子RX的存在是阴极具有良好发射的前提，但是YX还原RXO产生盈余RX的同时，也产生了高阻物质RX2YXO4：
2RXO＋YXO2→RX2YXO4
纳米特制陶瓷HID灯阴极制成之后，在使用中电流通过基金属时，高阻物质将会减少；这样相应产生的焦尔热少，同时也有利于基金属中还原剂在瓷层中的扩散。纳米特制陶瓷HID灯阴极在工作期间，自由金属原子的蒸发速度远远低于传统钨、钼、釷、镧等及其合金阴极，是因为其自身能够吸收、吸附自由导电原子。已有实验证明：纳米特制陶瓷HID灯阴极工作一段时间后，纳米特制陶瓷粉体颗粒表面含有较多的自由导电原子，说明其自身对自由导电原子有较强的吸附能力。这种吸附降低了涂层中自由导电原子的蒸发速率，使阴极涂层中的自由导电原子长期保持较高的浓度，这是纳米特制陶瓷HID灯阴极能够达到长寿命的重要原因之一。
在纳米特制陶瓷HID灯阴极支取电流的基金属的中心部位，RX2YXO4比不支取电流的边缘部分少的多，从寿命实验可看到，在大密度电流状态下工作，纳米特制陶瓷HID灯阴极较普通钨、钼、釷、镧等及其合金阴极表现出更加明显的优势。
二、注意要点
在HID灯的制造或使用中普遍存在早期发黑失效的问题，纳米特制陶瓷HID灯阴极在实践中有效地抑制了发黑现象的产生。但是，任何一项技术的发展都是相对的而不是绝对的。为了应用好纳米特制陶瓷HID灯阴极技术，在制造HID灯管时需注意以下几点：
    ①适量的高电压激活，促使活性原子充裕。即采用较高频率的高电压瞬间激活方式，以避免阴极温度突然升高而突然膨胀产生开裂现象。具体做法是：在充入氩气保护的条件下，使用高频高压瞬间辉放数次。此时，阴极端发生辉光放电。放电电流只通过阴极端而不通过阴极中间部份，所以端温度高于中间温度，端头的纳米陶瓷层间得到充分的激活，有利于启动点燃或消除黄黑现象；
    ②抽气时间适当。即在加热抽气时，既要达到高真空度的要求(6.7×10－3Pa)，又要避免时间过长而导致管壁冷却时重新吸气引起阴极中毒。
③选择适宜的消气剂或消气剂。
纳米特制陶瓷HID灯阴极，其特点是在氧化物发射层里加入数种复杂的XG基化合物并经过特殊的陶瓷工艺制造而成。这种纳米特制陶瓷阴极与传统阴极有着不同的机械结构。
三、结论
纳米特制陶瓷HID灯阴极由于其内在成份及机械结构与传统阴极截然不同，使其与传统阴极相比有如下显著的优点：
①纳米特制陶瓷HID灯阴极的发射寿命为传统阴极的八倍，尤其在大电流密度工作时有更明显的优势。因此，特别适合装置特大功率的HID灯。
②相同的电力消耗，纳米特制陶瓷阴极HID灯能产生更大的光通量，大大提高了HID灯的效率。
③纳米特制陶瓷HID灯阴极制造成本合理，市场广阔。
                                                                                肖峥  白银市种特材料研究所

这个资料应该整理到HID区，方便查阅。