对纳米特制陶瓷HID灯阴极的研究

摘　要：纳米特制陶瓷HID灯阴极是中国发明的专利技术。文章讨论了其制备工艺，包括它的选择与配制，技术的分解与激活。通过分析和研究，提出问题和相关对策，最后阐明了纳米特制陶瓷HID灯阴极与传统阴极相比所具有的优势。

关键词：纳米特制陶瓷HID灯阴极；寿命；激活；发射

1、前言

将电能转换成为光学辐射能的器件称为电光源，其产品称之为电光源产品。随着科学技术的发展，电光源产品在人类生活的各个领域中应用得越来越广泛。

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，是中国发明的专利技术，从1999年至今已申请了16项中国专利。

纳米特制陶瓷HID灯阴极具有激活反应速度快、无需分解、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和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。

2、选材与配制

2.1、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，所用的反应物均是完全溶于水的物质。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，其功率函数极小，发射量极大。

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，经过国家轻工业部质量检测中心检测，其各项性能指标完全符合HID灯制造工艺的技术要求。

2.2、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，需在已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加入XG，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太脆，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/℃，与基金属相近，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。

实验结果表明：
 XG的加入量应控制在8％～10％之间。

2.3、纳米陶瓷浆料的配制

将纳米粉体发射材料(光谱纯)、锆盐(光谱纯)、溶剂(分析纯)及粘结剂按一定比例准确称量，球磨混合均匀配制即是纳米陶瓷浆料。

由于粘结剂的残渣对阴极的寿命有影响，故粘结剂的含量尽可能少，但为了保证粘附的要求，其含量也不应少于电子发射物质的0.8％。

3、分解与激活

为使涂有纳米陶瓷阴极浆料的基金属电极成为具有发射电子能力的灯用阴极，需在高温高真空中对其进行处理。第一步是在高温负压的条件下使粉体材料分解为不含任何杂质气体的纯氧化物；第二步是在高温正压的条件下在其氧化物涂层内形成均匀的固熔体；第三步是在高温惰性气体气氛条件下使其纳米陶瓷层间形成均匀适量的盈余导电原子（称为热至激活）。激活的过程是使这些导电原子向其晶