專利名稱：用于復(fù)雜形狀的陶瓷制品的成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請要求于2000年12月19日提交的序列號為60/256,655的美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)。
本發(fā)明涉及陶瓷制品和形成陶瓷制品的方法，尤其涉及用于陶瓷金屬鹵化物(CMH)燈的陶瓷電弧管。
背景技術(shù)：
通過使用經(jīng)兩個電極間的電弧以使諸如金屬鹵化物和汞的混合物的充填材料電離，從而使放電燈產(chǎn)生光。該電極和充填材料被密封在一半透明或透明的放電室或電弧管內(nèi)，該電弧管保持該受激勵的充填材料的壓力并容許所發(fā)射的光由此通過。也被稱為“劑量”的該充填材料由于電弧的激勵而發(fā)射一所希望的光譜能量分布。例如，鹵化物提供了可供廣泛選擇的光特性的光譜能量分布。
為了獲得改進的顏色溫度、顯色性和發(fā)光功效，曾經(jīng)研制過若干種陶瓷放電燈室，使其在更高的溫度下即950℃以上工作，同時顯著減少了與充填材料的反應(yīng)。通常，陶瓷放電室是由陶瓷粉末擠壓或模壓的多個部件構(gòu)造成的。共同擁有的且共同未決的、于1998年4月28日提交的序列號為09/067,816的美國專利和于1999年2月16日提交的序列號為09/250,634的美國專利描述了一種將在形成放電室過程中所用的接合處的數(shù)目減到最少的常規(guī)陶瓷放電室。例如，在先前的實踐中，使用了一種五個部件的結(jié)構(gòu)，其包括在兩端處由第一和第二端部塞子封閉的一個中央圓柱體。分離的第一和第二支桿被分別連接到各自的端部塞子上。涉及該組件的該引入申請只使用了少達兩個部件，便形成了放電室。共同擁有且共同未決的、于1999年12月23日提交的序列號為09/0471,551美國專利通過在一個主體部件中整體地形成該支桿從而限制了在電弧室中的部件的數(shù)目。此外，使一透鏡與另一主體部件一體地形成，因為沒有支桿干擾發(fā)自放電室的照射，從而增加了光通量分布。
正如上文提及的共同未決的申請中所述，限制電弧管中部件的數(shù)目，因而也限制了接合處的數(shù)目，以便可獲得所期望的效率并降低了制造成本。因此，減少制造步驟、減少部件數(shù)目以及以更高的燈功效在傳導(dǎo)和輻射熱損失方面實現(xiàn)改進均是所希望的特征。類似地，對電弧間隙長度更好的控制能夠?qū)崿F(xiàn)無閃爍的運行、更可靠的啟動、更穩(wěn)定的工作，并增加燈的功效和顏色特性。
雖然這些方法和制造工藝被用來有效地控制電弧管的外形或外表面形狀，但是它們不能適當?shù)亟鉀Q將成為下一代放電燈所需要的內(nèi)部尺寸?？梢灶A(yù)見，這些放電燈將具有更為復(fù)雜的形狀和構(gòu)造，并且需要更先進的制造技術(shù)才能適應(yīng)這些形狀。因此，雖然在減少陶瓷金屬鹵化物(CMH)燈的部件的數(shù)目方面已經(jīng)取得了實質(zhì)性的進展，但是在形成復(fù)雜形狀的能力方面仍然沒有得到改進。因此，期望研制出一種用于形成復(fù)雜單件陶瓷電弧管的方法，特別是增強對該電弧管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種用于形成單件陶瓷電弧管的方法。首先，制成一優(yōu)選為由碳質(zhì)成形件形成的成形件，該成形件具有一限定該電弧管的所希望的內(nèi)部尺寸的外部輪廓?；蛘撸@種成形件可以是金屬的。把一外側(cè)模或外模設(shè)置在該成形件的周圍，以便建立該電弧管的外部尺寸，然后使用隨后可硬化的懸浮液來充填該外模。最后，取下該外模，并且對于該部件清除粘結(jié)劑，從而除去該內(nèi)成形件。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是能夠形成復(fù)雜的單件電弧管。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是可實現(xiàn)對該陶瓷電弧管的內(nèi)部形狀進行更好的控制。


圖1到圖4為說明本發(fā)明的方法的連續(xù)成形步驟的示意圖。
圖5為本發(fā)明的一種可能的電弧管結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及一種用于形成單件復(fù)雜的陶瓷電弧管的方法，下文將其稱為“電弧管”。本發(fā)明的電弧管是通過“清除發(fā)泡物工藝” 和陶瓷成形工藝的獨特組合的工藝而形成的。
如圖1所示，制成一個成形件20。該成形件優(yōu)選為一種多孔的聚合材料，但是本發(fā)明不限于用來制造該成形件的特定材料。例如，該成形件可以是石墨、石墨/聚合物復(fù)合材料、或非聚合物的其它低分子量固體。此外，這種成形件也可以是金屬的，例如是熔點低于100℃的鉍基合金。該成形件20由易燃或能夠以不留任何殘留物或明顯殘留物的方式熔化的合適材料制成，但是這類材料卻比常規(guī)類型的材料更快捷地成形。這種成形件可以通過常規(guī)的手工或機械成形從而采用最希望獲得的結(jié)構(gòu)，而且更方便的是，隨時可以用簡單的膠粘、銷接或用金屬絲栓結(jié)容易地把若干分離的部件相互固定在一起而制成這種成形件。最好，采用便宜的例如聚苯乙烯或聚乙烯的多孔塑料來制造該成形件20。本發(fā)明構(gòu)想出在清除發(fā)泡物工藝的領(lǐng)域中可用的任何已知的成形件。
該成形件其形狀通常有第一支桿22和第二支桿24，這兩個支桿從通常是橢球形的中心體26延伸。在優(yōu)選實施例中，該成形件的支桿是由具有插入中心體部分的內(nèi)端的實心銷釘來限定的。下文還要說明，作為內(nèi)成形件清除步驟的一部分，銷釘/支桿將以機械方式從中心體上除去?；蛘?，使這兩個支桿與中心體形成一個整體，之后以同樣的方式作為該內(nèi)成形件20的殘留物被去除。然而，應(yīng)該理解，根據(jù)本發(fā)明提供的優(yōu)點，該本體和支桿的構(gòu)形可以采用各種各樣的結(jié)構(gòu)。
在制成該成形件之后，把它放置在一外側(cè)模或外模40內(nèi)(見圖2)。這種外模與用于常規(guī)電弧管成形的模具類似，常規(guī)電弧管成形例如為凝膠模制、凝聚模制或注塑模制。該外模40用于控制電弧管的外表面的形狀。優(yōu)選的是，這種外模40由多個配合的部件形成，該部件例如為可選擇性地打開以便插入該內(nèi)成形件20的第一和第二半部。此外，外模40采用具有中空的第一支桿42和第二支桿44的通常構(gòu)形，該支桿的尺寸確定成能夠接納該成形件的相應(yīng)支桿22和24。同樣地，中心部分46以間隔開的關(guān)系設(shè)置在成形件的本體26的周圍。以這種方式，一旦外模的配合件圍繞成形件20封裝，那么在成形件20和本體40之間便限定出一空腔50。
在形成外模40和內(nèi)模20并且把它們裝配在一起之后，如圖3所示，便把氧化物懸浮液60引入它們之間。最好，如凝膠模制或按照注塑模制的注入那樣把氧化物懸浮液60灌入該模具。此懸浮液60填充該空腔，并且分別符合與該成形件的外輪廓和外模的內(nèi)輪廓。使用溶膠凝膠和注塑模制技術(shù)中眾所周知的方法，使懸浮液60硬化或固化，從而形成一陶瓷電弧管。如圖4中所示，隨后取下外模40。
在取下外模之后，該陶瓷電弧管70和內(nèi)成形件20進行清除粘結(jié)劑以及預(yù)燒結(jié)的處理。這個處理步驟是通過熔化或溶解內(nèi)成形件20來除去該內(nèi)成形件20(請比較圖4和圖5)。該內(nèi)成形件和所有其它有機材料和處理中的材料都被有利地從內(nèi)部清除。新成形的電弧管70和內(nèi)成形件20在4-8小時中在空氣中從室溫升高到約900到1100℃的最高溫度，以便清除粘結(jié)劑和預(yù)燒結(jié)，然后保持最高溫度約1-5小時，隨后冷卻。應(yīng)當理解，電弧管70具有兩個從中心本體76的相對端部延伸的第一和第二中空支桿72和74。整體的電弧管的各個部件的取向和形狀可以采用各種各樣的結(jié)構(gòu)。
或者，可以在新成形的電弧管70進行清除粘結(jié)劑之前除去內(nèi)成形件20。在這種方法中，可以通過各種已知的清除發(fā)泡物的技術(shù)，除去該內(nèi)成形件20，隨后新成形的電弧管70在4-8小時中在空氣中從室溫升高到約900到1100℃的最高溫度從而清除粘結(jié)劑。
還構(gòu)想出，例如，可以在室溫下進行大部分成形件的粘結(jié)劑清除，隨后再通過一個熱循環(huán)來除去型芯。這種首先為外模清除粘結(jié)劑、隨后除去內(nèi)芯的相反程序在某些情況下具有獨特的優(yōu)點。
在清除粘結(jié)劑和預(yù)燒結(jié)之后，圖5所示的陶瓷電弧管70優(yōu)選地在溫度高于1500℃的氫氣環(huán)境中進行燒結(jié)，根據(jù)該優(yōu)選實施例，該溫度在1600和2000℃之間，最好在1800和1900℃之間。經(jīng)過這一燒結(jié)步驟，使得陶瓷電弧管至少是大致透明的。
所獲得的電弧管是一種具有復(fù)雜的內(nèi)、外輪廓的中空陶瓷電弧管，其應(yīng)用于高壓放電燈中。這種電弧管優(yōu)選包括具有純度約99.98％、燒結(jié)前的表面積約2-10m2/g的氧化鋁(Al2O3)。為了抑制晶粒生長，可以在這種氧化鋁粉末中攙入氧化鎂，氧化鎂的摻入量例如等于氧化鋁重量的約0.03-0.2％，最好是約0.05％。其它可以使用的陶瓷材料包括不易反應(yīng)性的耐熔的氧化物和氧氮化物，例如氧化釔、氧化镥和氧化鉿，以及它們的固溶體，以及諸如釔-鋁-石榴石和氧氮化鋁之類的帶氧化鋁的化合物。可以單獨或組合使用的粘結(jié)劑包括有機聚合物，例如多元醇、聚乙烯醇、乙酸乙烯酯、丙烯酸酯、纖維素和聚脂。
按照一種示例性的構(gòu)造方法，通過將一種包括按體積百分比約45-60％的陶瓷材料和約55-40％的粘結(jié)劑的混合物注塑模制到一由內(nèi)成形件20和外模40組合成的模具中，從而形成該放電室的部件。這種電弧管包含表面積約1.5到約30m2/g、典型地為約3-5m2/g之間的氧化鋁粉末。按照一個實施例，這種氧化鋁粉末具有至少99.98％的純度。為了抑制晶粒生長，可以在這種氧化鋁粉末中攙入氧化鎂，氧化鎂的摻入量例如可以是氧化鋁重量的約0.03-0.2％，最好是0.05％。
這種粘結(jié)劑優(yōu)選包含蠟的混合物或聚合物的混合物。按照一個例子，該粘結(jié)劑包括按重量為331/3份的石蠟，其熔點為52-58℃；按重量為331/3份的石蠟，其熔點為59-63℃；和按重量為331/3份的石蠟，其熔點為73-80℃。
在按重量為100份的石蠟中加入下列物質(zhì)按重量為4份白蜂蠟；按重量為8份油酸；和按重量為3份硬脂酸鋁。
以上石蠟制品可以從Aldrich Chemical公司購買，它們的產(chǎn)品號分別為317659、327212和411671，雖然，應(yīng)該理解，只要不偏離本發(fā)明的范圍和意圖，還可以使用其它適合的粘結(jié)劑。
在注塑模制的過程中，對陶瓷材料和粘結(jié)劑的混合物進行加熱，以便形成高黏度的混合物。然后，將此混合物注入合適形狀的模具中，隨后冷卻以便形成一模制的成形件。在注塑模制之后，通常通過熱處理，從該模制件上除去粘結(jié)劑和內(nèi)成形件20，從而形成粘結(jié)劑清除了的部件。按照優(yōu)選的布置，這種熱處理是這樣進行的即在空氣中或在例如真空、氮氣、稀有氣體的受控制的環(huán)境中將該模制件加熱的最高溫度。例如，以每小時約2-3℃的速率緩慢地把溫度從室溫增加到160℃。隨后，以每小時約100℃的速率把溫度增加到約900-1100℃的最高溫度。最后，在約900-1100℃保持該溫度約1-5小時。隨后，使該熱處理件冷卻。在熱處理步驟之后，孔隙率約為40-50％。
所得到的陶瓷電弧管70是具有復(fù)雜形狀的單件電弧管。所希望的是，應(yīng)該減少組成該放電室的部件的數(shù)目，從而減少這些部件之間粘結(jié)處的數(shù)目。這樣做的優(yōu)點在于，有利于放電室的裝配，并減少了在制造期間可能在粘結(jié)處出現(xiàn)的缺陷的數(shù)目，而且還減少了操作時放電室在粘結(jié)區(qū)出現(xiàn)損壞的可能性。本發(fā)明消除了為形成復(fù)雜的形狀把分離的陶瓷部件粘結(jié)在一起的必要性。因此，上述的清除發(fā)泡物工藝與陶瓷制品成形工藝的組合消除了費用高的工序以及在電弧管中對額外材料的需求。
本發(fā)明的電弧管可以應(yīng)用于高壓放電照明。高壓放電燈通常包括一陶瓷殼體(電弧管)，其有一適合于接納密封灌裝在放電室中的充填物的小室。第一和第二電極以間隔開的方式設(shè)置在該小室中，根據(jù)在這兩個電極之間所施加的電位產(chǎn)生電弧。這兩個電極被連接到導(dǎo)體上，以本技術(shù)領(lǐng)域熟知的方法在這兩個電極之間施加電位差。在工作中，這兩個電極產(chǎn)生使充填材料電離的電弧，從而在放電室中產(chǎn)生等離子區(qū)。就陶瓷金屬鹵化物燈而言，這種充填材料典型地包括Hg、諸如Ar或Xe之類的稀有氣體以及諸如NaI、T1I或DyI3之類的金屬鹵化物的混合物。在本技術(shù)領(lǐng)域中，充填材料的其它例子是公知的。
已經(jīng)參照示例性的實施例對本發(fā)明進行了描述。基于閱讀和理解本說明書，還可作出另外一些變型和變更。在一個優(yōu)選實例中，使用了一種機械加工的石墨型芯，把一種具有類似于5,145,908號美國專利中披露的配方的氧化鋁懸浮液通過凝膠模制在型芯的周圍，對于氧化鋁在室溫下進行清除粘結(jié)劑的處理，在溫度升高到大約600℃的情況下使型芯降解，然后燒結(jié)封殼，從而生成一透明的封殼。本發(fā)明不限制于任何一個實例，而是包括屬于本發(fā)明披露范圍內(nèi)的變型和變更。
權(quán)利要求
1.一種形成用于陶瓷金屬鹵化物燈的單件電弧管(70)的方法，其包括下列步驟設(shè)置一內(nèi)成形件(20)，該內(nèi)成形件具有的外部構(gòu)造與電弧管的所希望的內(nèi)部尺寸相配；在該內(nèi)成形件周圍設(shè)置一外成形件(40)，并在其間限定一空腔(50)；使用隨后硬化的懸浮液(60)充填所述空腔；和去除所述內(nèi)成形件和外成形件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述去除步驟包括對于該硬化的懸浮液進行清除粘結(jié)劑的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述內(nèi)成形件的設(shè)置步驟包括使用一用于所述內(nèi)成形件的石墨材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述內(nèi)成形件的設(shè)置步驟包括使用一用于所述內(nèi)成形件的石墨/聚合物復(fù)合材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述內(nèi)成形件的設(shè)置步驟包括使用一用于所述內(nèi)成形件的非聚合物的低分子量固體材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述內(nèi)成形件的設(shè)置步驟包括使用一用于所述內(nèi)成形件的金屬材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述內(nèi)成形件的設(shè)置步驟包括使用一用于所述內(nèi)成形件的鉍基合金材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述內(nèi)成形件的設(shè)置步驟包括使用一用于所述成形件的熔點低于約100℃的鉍基合金材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述內(nèi)成形件的設(shè)置步驟包括使內(nèi)成形件(20)成形，以使其包括從具有大致橢球形構(gòu)形的本體(26)延伸的第一和第二支桿(22，24)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述外成形件的設(shè)置步驟包括使用用于所述外成形件的裝配的外成形件部件。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述空腔填充步驟包括將氧化物懸浮液(60)引入所述的空腔中。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其還包括在所述去除步驟之前使所述懸浮液固化的步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其還包括清除粘結(jié)劑并隨后進行預(yù)燒結(jié)的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述預(yù)燒結(jié)和清除粘結(jié)劑步驟在所述外成形件去除步驟之后進行。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，其還包括在所述預(yù)燒結(jié)和清除粘結(jié)劑步驟之后燒結(jié)所述硬化的懸浮液的步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括在除去所述內(nèi)成形件之前對所述外懸浮液進行清除粘結(jié)劑，然后預(yù)燒結(jié)所述硬化的懸浮液。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括在對所述外懸浮液進行清除粘結(jié)劑之前除去所述內(nèi)成形件，然后預(yù)燒結(jié)所述硬化的懸浮液。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述內(nèi)成形件的去除步驟包括從所述硬化的懸浮液上溶解所述內(nèi)成形件的步驟。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述空腔充填步驟包括將陶瓷材料/粘結(jié)劑注塑模制到所述空腔中。
20.一種由包括以下步驟的方法形成的陶瓷電弧管，該步驟包括設(shè)置一由碳質(zhì)材料制成的內(nèi)芯(20)，該內(nèi)芯具有的外部構(gòu)造與所述電弧管的所希望的內(nèi)部尺寸相配；在所述芯的周圍凝膠模制氧化鋁懸浮液；對于所述氧化鋁懸浮液進行清除粘結(jié)劑；在升高的溫度下使所述內(nèi)芯降解；和燒結(jié)所述電弧管。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的陶瓷電弧管，其特征在于，其還包括在所述燒結(jié)步驟之前對所述氧化鋁懸浮液預(yù)燒結(jié)的步驟。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的陶瓷電弧管，其特征在于，所述內(nèi)芯降解步驟在所述清除粘結(jié)劑步驟之后實施。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的陶瓷電弧管，其特征在于，所述內(nèi)芯降解步驟在所述清除粘結(jié)劑步驟之前實施。
全文摘要
提供一種用于形成單件電弧管的方法。這種方法包括使用與陶瓷成形工藝結(jié)合的清除發(fā)泡物工藝。首先，使聚合材料(20)成形，以限定內(nèi)部尺寸。用外模(40)建立外部尺寸，隨后，在對該模具充填一種隨后可硬化的懸浮液(60)。除去該外模，并且對于該部件進行清除粘結(jié)劑，以便熔化并去除內(nèi)部的發(fā)泡成形物，隨后燒結(jié)該部件從而形成一基本上透明的陶瓷電弧管(70)。
文檔編號C04B35/632GK1489558SQ01822668
公開日2004年4月14日 申請日期2001年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月19日
發(fā)明者C·E·斯科特, D·C·塞雷迪希, D·波利斯, V·高里, K·西瓦拉曼, C E 斯科特, 呃 , 塞雷迪希 申請人:通用電氣公司