高强气体放电灯管封接用功能梯度材料的设计与制备

论文摘要

高强气体放电灯具有光效高、寿命长、光色好的优点，应用前景十分广阔。高强气体放电灯对封接的要求很高：耐高温、耐腐蚀、耐高压、高气密性。常用的封接为金属Mo与石英玻璃的直接封接。Mo和石英的热膨胀系数相差很大，导致过大的残余热应力。现有的技术尚难以对封接残余应力有效控制，从而影响高强气体放电灯的寿命。本工作提出用梯度材料来有效缓解热应力，制备出封接用的Mo／SiO2系梯度材料。首先通过热力学计算并通过实验实测了其析晶温度，在短时间内其析晶温度在1150℃以上。为避免由熔融石英中析出晶体，研究了放电等离子（SPS）烧结熔融石英粉的烧结机理，实现了熔融石英粉的低温致密化。结果表明，SPS烧结熔融石英粉是一种表层熔融烧结机制，模具大小和压力对烧结致密化有很大影响。熔融石英粉适宜的烧结工艺参数为：1150℃～1200℃、20MPa、5min。样品的致密度为95.8％～99.7％（与模具大小有关）。研究了用SPS烧结时纯Mo的烧结行为和烧结助剂Ni、Cu对Mo致密化的影响。结果表明，纯Mo粉在1200℃SPS烧结时无法实现致密化，致密度仅为80.1％。添加Ni、Cu有助于Mo的致密化。在致密化过程中，Cu主要起溶解Ni的作用，Ni溶解Mo来实现致密化。Ni、Cu适宜的添加量分别为3％和2％，此时在1200℃烧结的Mo的致密度可达到99.1％。在1200℃-20MPa-5min的SPS烧结条件下，制备出了不同组分的Mo／SiO2复合材料，测定了复合材料的致密度、电性能、力学性能、热性能和微观结构。Mo颗粒填充在熔融石英基体的孔隙，从而提高了复合材料的致密度。Mo在低含量时弥散分布在石英基体中，随着含量的增加，形成渗流结构，使Mo／SiO2复合材料由绝缘体变成导体。其临界含量与Mo颗粒大小有关。d50=5μm的Mo的颗粒，其临界含量为35wt％～40wt％，d50=10μm的Mo的颗粒，其临界含量为40wt％～45wt％。利用有限元法对梯度材料的残余热应力缓和与结构设计，结果表明梯度复合材料可以有效地缓和梯度材料制备过程中产生的残余热应力。当50％Mo-SiO2／SiO2梯度材料层数为6层时，应力缓和效果达60％。采用SPS技术，通过粉末铺填成功制备出了层数为6层的50％Mo-SiO2／SiO2梯度材料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 高强气体放电灯的现状与发展
• 1.2 高强气体放电灯的封接技术
• 1.2.1 玻璃与金属直接封接
• 1.2.2 金属与玻璃的过渡封接
• 1.3 梯度材料及其在封接技术中的应用
• 1.3.1 梯度材料简介
• 1.3.2 梯度材料在封接技术中的应用
• 1.4 本工作的意义与内容
• 第2章 熔融石英粉的烧结
• 2.1 实验与测试
• 2.1.1 原料
• 2.1.2 实验设备
• 2.1.3 实验
• 2.1.4 测试
• 2.2 熔融石英析晶温度的计算与实验测定
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 熔融石英粉的烧结行为
• 2.3.2 熔融石英粉的SPS烧结机理分析
• 2.4 小结
• 第3章 Mo的烧结
• 3.1 实验过程
• 3.1.1 原料
• 3.1.2 Mo的烧结
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 纯Mo的SPS烧结
• 3.3.2 烧结助剂Ni、Cu对Mo致密化的影响
• 2复合材料的制备与性能测试'>第4章 Mo/SiO₂复合材料的制备与性能测试
• 4.1 实验过程
• 4.2 DSC-TG分析
• 2复合材料的烧结致密化及显微结构'>4.3 Mo/SiO₂复合材料的烧结致密化及显微结构
• 2复合材料的电阻率'>4.4 Mo/SiO₂复合材料的电阻率
• 4.4.1 电阻率的测试原理
• 4.4.2 结果与讨论
• 4.4.2.1 钼含量与电阻率的关系
• 4.4.2.2 钼颗粒大小与电阻率的关系
• 2复合材料的力学性能'>4.5 Mo/SiO₂复合材料的力学性能
• 2复合材料的弹性模量'>4.5.1 Mo/SiO₂复合材料的弹性模量
• 2复合材料的抗弯强度'>4.5.2 Mo/SiO₂复合材料的抗弯强度
• 2复合材料的热膨胀系数'>4.6 Mo/SiO₂复合材料的热膨胀系数
• 4.7 小结
• 2梯度材料的设计与制备'>第5章 Mo/SiO₂梯度材料的设计与制备
• 5.1 计算模型
• 5.2 计算结果与讨论
• 2梯度材料的制备'>5.3 Mo/SiO₂梯度材料的制备
• 5.4 小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢