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
技術領域：
本發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：
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成為可能。在這些應用中的弧光放電容器必須能夠經受在操作燈的過程中產生的高溫和高壓以及必須抵抗由填充材料帶來的化學侵蝕。另外，為了在商業照明應用中便于使用，放電容器一般要求具有在約為400nm至700nm的可見光波長范圍內大于92％的總透射比。
在HPS燈中，放電容器是管狀的；而對陶瓷金屬鹵化物燈來說，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例分別在歐洲專利申請No.0 587 238A1和美國專利No.5,936,351中給出。帶有半球形端的膨脹形狀產生更均勻的溫度分布，從而導致燈的填充物對PCA侵蝕的減少。
因為PCA是半透明和不透明的，PCA的使用限于非聚焦光束燈應用。雙折射晶粒散射是規則的、燒結的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。將經燒結-HIP的PCA的晶粒度減至亞微米范圍(＜1微米)改變了散射機制，從而減少了晶粒雙折射散射。在亞微米范圍內，軸向透射比實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械強度對聚焦光束、短弧燈是重要的，它提供了改進的亮度、效力和彩色再現。
在制造氧化鋁放電容器的過程中，為了延緩晶粒生長并且在釘扎晶界時促進晶界擴散，一般需要將氧化鎂(MgO)作為燒結輔助材料。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以此達到全密度。這是因為納米尺寸的粉末需要更高水平的MgO摻雜劑來覆蓋更細顆粒的表面。而且，和較大晶粒的氧化鋁不同，基于MgO的摻雜劑(如～200-300ppm)在晶格和晶界區域內完全溶解。結果，包括了多種帶有一個或兩個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，這導致摻雜MgO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。
發明內容
本發明通過后-燒結-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題。退火被認為改變了色心的締合狀態和離子化，但是未明顯改變氧空位的總數。控制退火氣氛的溫度、時間和氧分壓以使光吸收氧空位的有效部分被轉換至非光吸收氧空位，而同時維持穩定的微觀結構(無顯著的晶粒生長或鋁酸鎂尖晶石第二相顆粒的析出)。結果，后-燒結HIP退火有效地產生了在約為400nm至700nm的范圍內直到＞92％的總透射比，適合商業燈應用的水平。
按照本發明的一個方面，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)對放電容器進行燒結-HIP；以及(c)對放電容器進行退火以此使放電容器的總透射比在約為400nm至700nm的波長范圍內增至＞92％。
按照本發明的另一個方面，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成的陶瓷體，放電容器具有在約為400nm至700nm的波長范圍內大于92％的總透射比。
可以預計PCA另外共摻雜了ZrO2、Y2O3、Er2O3、Yb2O3、Sc2O3等可改變點缺陷的相對數，但是可預計由于MgO的存在而使低總透射比問題仍然存在。因此，本發明的方法應當對增加這樣的共摻雜氧化鋁陶瓷的總透射比是有用的。
圖1是按照本發明的膨脹形放電容器的橫截面圖。
圖2是測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。
具體實施例方式為了更好地理解本發明、以及本發明其它的和進一步的目的、優點和能力，可參考下面所公開的內容及所附權利要求書并結合上述附圖。
圖1是按照本發明的弧光放電容器的橫截面圖。弧光放電容器21具有由摻雜MgO的亞微米晶粒多晶氧化鋁構成的陶瓷體23。陶瓷體23具有在大約400nm至大約700nm的波長范圍內大于92％的總透射比。更可取的是，在相同的波長范圍內的總透射比大于95％。所述的體23界定了弧光放電空腔25并帶有兩個從放電空腔25以相反的方向向外延伸的毛細管27。最好是，放電空腔壁的厚度約為0.8mm。毛細管適合容納并于此密封電極組件(圖中未顯示)，為了在放電空腔內起弧并維持弧光，電極組件提供了導電路徑以向放電容器供電。盡管圖1所示的實施例是膨脹形弧光放電容器，但是本發明弧光放電容器的其它適當形狀包括與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節在比如歐洲專利No.0 650 184 B1(流鑄)、美國專利No.6,399,528(凝膠鑄造)、國際專利申請No.WO2004/007397 A1(流鑄)和歐洲專利申請No.EP 1 053 983 A2(等靜壓成形)中進行了描述。
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(對于蠟來說為～50℃)，以使熔化的核心材料滴下來并從內腔流出去。在優選的方法中，粘合劑材料通過在流動的空氣中緩慢加熱至800℃而被去掉。太快的加熱速度會造成粘合劑在稠密的粉末坯塊內截留，這可導致最終燒結-HIP的樣本帶有灰色調。在1250-1270℃下于空氣中進行2個小時的預燒結可達到閉合氣孔的狀態。在1270℃下于～10ksi氬氣內對預燒結部分進行熱等靜壓(HIPed)和燒結處理。
通過照亮鹵鎢燈的小燈管的一端、將其另一端放進空心主體內，并測量在大約400nm至大約700nm的波長范圍內從放電容器中流出的光的總積分通量可測量放電容器的總透射比。圖2顯示的是用于測量總透射比的裝置的示意圖。樣本11(在這個例子中為管狀容器)通過支架9被安裝在積分球3的中心區域，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被插進其中一個支架9內并進入樣本11的中心部位。光從鹵鎢燈5被引導穿過光纖7。如圖3所示，為了散射發射的光以此生成近似點光源，被放進樣本內的光纖7的光發射端17相對于光纖的圓柱軸有20°的錐度。從光纖末端發射的光穿過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器)測量。傳過樣本的總積分通量的百分率(與單獨的光纖發射的總積分通量比較)表示樣本的總透射比。因為塑料光纖的透射比在可見光譜的兩端(即小于約400nm和大于約700nm)減少，在大約400nm至大約700nm的波長范圍內總透射比被有效地測量。裝置的適當部件可從NH North Sutton的Labsphere公司獲取。
示例
通過燒結-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。對于盤片來說，所測得的軸向透射比在同一盤片內以及盤片與盤片之間一般是非常均勻的。所制成的燒結-HIP的主體帶有少量的殘余氣孔。平均粒度約為0.5微米。將使用通過電子掃描顯微鏡(SEM)所獲得的圖像測得的截距尺寸乘上1.5的因數來確定粒度。
所測得的經燒結-HIP的放電容器(壁厚度為0.8mm的拋光或非拋光的)的總透射比值相當低，其總透射比的范圍在69-78％之間，平均約為77％。拋光的、厚度為0.8mm的盤片在600nm時的光譜光度計軸向透射比被測得是50-55％。在1025-1150℃下于空氣中經過不同持續時間(2-4小時)的退火之后，經燒結-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為是不同程度的點缺陷造成的，不同程度的點缺陷是由熱等靜壓中特定位置的氧分壓造成的。30個經退火的容器中只有大約10個是完全無色的，而其中的大多數呈褐色。這種不合乎需要的褐色被認為是與點缺陷有關的。褐色是空氣退火不能使許多容器的總透射比增至＞92％的一個原因。
總透射比保持不變，即使在1100℃下于濕氫中經過2個小時重新燒制容器之后。因為濕氫燒制一般增加了干氫(非常低的P02)-燒結的PCA的透射比，在該情形中總透射比保持不變的事實表示在HIP期間氧分壓可能比干H2環境下的氧分壓(P02＜1×10-12atm)降的更低。
如表1所示(圓括號內給出的是軸向透射比)，在1100℃下于Ar-5ppm O2氣氛中(P02＝5×10-6atm)使若干經空氣退火的樣本經過2小時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％。這些樣本還變為看起來是無色的。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-HIP退火中的P02和溫度范圍由點缺陷的熱力學及其擴散速度來表示，而退火時間和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，同時退火時間最好可在大約1小時至大約20小時之間變化。在更優選的實施例中，退火溫度約為1100℃并且退火時間約為2小時。
表1-退火之前和之后的總透射比(％)(及軸向透射比(％))
UHP-級別N2氣一般包含0.1-1ppm氧(P02＝0.1-1×10-6atm)并且同樣應當是有利于退火的氣體。表2顯示了在1100℃下于氮氣中經過2小時的退火后總透射比增加到＞92％。而且，在另一個實驗中顯示了在1150℃下于UHP-級別N2中經過20小時的直接退火使經燒結-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(％))
數據清楚地表明了后-燒結-HIP退火在使總透射比增加至＞92％(商業照明應用所要求的水平)方面的好處。退火溫度和時間符合微觀結構所要求的溫度限制和透明度(軸向透射比)穩定性。
雖然已經示出和描述了所提出的被認為是本發明的優選的實施例，但是對本領域技術人員來說顯而易見的是只要沒有背離如所附權利要求書所界定的本發明的范圍，在此可進行各種改變和修改。
權利要求
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)對所述放電容器進行燒結-HIP處理；以及(c)對所述放電容器進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的波長范圍內增至＞92％。
2.如權利要求1所述的方法，其中對所述放電容器在大約1000℃至大約1150℃下進行退火。
3.如權利要求2所述的方法，其中對所述放電容器退火大約1個小時至大約20個小時。
4.如權利要求1所述的方法，其中對所述放電容器在大約1100℃下退火大約2個小時。
5.如權利要求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所述放電容器進行退火。
6.如權利要求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.如權利要求5所述的方法，其中對所述放電容器在大約1000℃至大約1150℃下進行退火。
8.如權利要求7所述的方法，其中對所述放電容器退火大約1個小時至大約20個小時。
9.如權利要求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成的陶瓷體，所述放電容器具有在大約400nm至大約700nm的波長范圍內的大于92％的總透射比。
15.如權利要求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
本發明利用后－燒結－HIP退火來增加由摻雜MgO的亞微米晶粒氧化鋁構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，在大約400nm至大約700nm的波長范圍內放電容器的總透射比被增至大于92％。
文檔編號C04B35/10GK1835173SQ20061006795
公開日2006年9月20日 申請日期2006年3月16日 優先權日2005年3月16日
發明者G·C·維 申請人:奧斯蘭姆施爾凡尼亞公司