無鉛玻璃的特點:
以堿土金屬氧化物CaO、MgO、SrO、BaO等取代PbO;為提高玻璃的電性能而在玻璃中引入了Li2O,利用Li2O、Na2O、K2O的混合堿效應以提高其體積電阻,同時Li2O的引入還降低了玻璃的高溫黏度;組成中引入CaO可提高玻璃的絕緣性,但使玻璃轉變溫度Tg提高,而影響玻璃的再加工性,這可通過適當提高MgO、K2O含量,並引入BaO、ZnO、TiO2等氧化物以使其可加工性得到提高。
降低玻璃中鉛含量,采用無鉛芯柱和玻璃管,玻璃的無鉛化是發展趨勢,已取得較大進展,須大力推廣。
今後的研究方向是采用新的硼酸鹽、磷酸鹽、釩酸鹽等多元成分係統,利用多元成分係統中的共熔點來降低黏度和軟化溫度;同時利用多種堿土金屬氧化物如BaO、SrO等的阻塞效應,堿金屬氧化物的雙堿效應、三堿效應來提高玻璃電阻率,減少介電損失;引入TiO2、ZrO2高價氧化物以及稀土元素玻璃成分,以提高折射率;同時盡量采用含鐵量低的鈦、鋯礦物原料,既有利於熔化,又能降低成本。V2O5、WO3、MoO3也盡量引入含低鐵的廉價礦物,使無鉛玻璃價格與鉛玻璃價格相近,為大量生產創造條件。
2.1.2電光源玻璃的主要特性
根據電光源玻璃的不同用途,考量的主要特性包括:黏度、透光性、熱穩定性、化學穩定性、介電性能、除氣性、封接性和加工性能。
2.1.2.1黏度
液體在流動時,在其分子間產生內摩擦的性質,稱為液體的黏性,黏性的大小用黏度表示,是用來表征液體性質相關的阻力因子。黏度是玻璃最主要的特性之一。玻璃黏度與玻璃的熔製、澄清、成形、熱處理、加工等過程有密切的關係,溫度升高時,黏度隨之下降。給出了電光源常用玻璃的黏度和溫度的關係曲線。
2.1.2.2透光性
電光源產品是在玻璃殼(管)內發光,光源透過玻殼(管)提供光照,因此在同等條件下,玻璃的透光性越好則光源的光效越高。T為玻璃透過率,E1為入透光通量,E2為透過的光通量。
不同化學組成的玻璃,對同一種波長光的透過率不同;同一種化學組成的玻璃,對不同波長光的透過率也不同。一般玻璃對於可見光的透過率大於80%。
2.1.2.3熱穩定性
玻璃在加工、使用和停放過程中需要承受高低溫度的快速變化,容易造成炸裂,影響產品的合格率,因此要求玻璃材料具有良好的熱穩定性。熱穩定性越好的玻璃其產品合格率越高。熱穩定性的好壞用玻璃熱穩定性係數(K)來衡量。K為玻璃的熱穩定性係數,P為玻璃的抗張強度極限係數,α為玻璃的線膨脹係數,E為玻璃的彈性係數,λ為熱導率,c為熱容量,d為玻璃的密度。
玻璃熱穩定性(K)與玻璃線膨脹係數(α)成反比,即K越大,玻璃的熱穩定性越好。通常,電光源產品按其工作條件不同,選擇不同膨脹係數的玻璃以滿足電光源產品及相應工作條件對熱穩定性的需求。
2.1.2.4化學穩定性
電光源玻璃的化學穩定性是指其抵抗堿、酸、水、鹽、氣體等物質侵蝕的能力。玻璃的化學穩定性主要取決於其化學組成。
酸對玻璃的侵蝕,是通過水的作用侵蝕玻璃,由於稀酸中含水量大,因此稀酸比濃酸對玻璃的侵蝕能力更強。高堿玻璃耐酸性小於耐水性,而高矽玻璃耐酸性大於耐水性,除氫氟酸(HF)以外,一般酸不與玻璃直接反應。氫氟酸反應如下:
氣體對玻璃的侵蝕,如CO2、SO2等,有水汽條件下才易於進行,水汽比水溶液的侵蝕性更大。水汽的侵蝕:先以離子交換為主的釋堿過程,隨著堿濃度的增加而後是以破壞網絡為主的類似堿的侵蝕過程。水溶液的侵蝕:在離子交換後,形成矽氧膜後,隨玻璃表麵Na+減少而漸止。
2.1.2.5電性能
電光源玻璃的主要電性能包括電阻率、介電損耗、介電強度和電解性。
(1)電阻率
常溫下玻璃是電的絕緣體,隨溫度升高導電性也升高。溫度達到玻璃軟化溫度時,導電率突變急增,達到熔融溫度時,玻璃已成為電的良導體。
電光源玻璃的電阻率常以Tk-100衡量。Tk-100是指玻璃體積電阻率為100(MΩ·cm)時的溫度。Tk-100越大,絕緣性越好。
(2)介電損耗
玻璃作為電介質時,因交流電場的作用,玻璃會極化或吸收而使部分電能轉變為熱能而損耗。玻璃的介電損耗是由於離子極化、分子極化和空間電荷極化所引起的,因此,絕緣性好的玻璃,也即體積電阻率大的玻璃,介電損耗小。
玻璃化學組成決定其介電損耗。Na2O、K2O含量高,玻璃介電損耗則大;含PbO、BaO、CaO等,玻璃則介電損耗小。
(3)介電強度
玻璃承受電致擊穿的臨界電壓稱介電強度。玻璃的介電強度取決於玻璃的化學組成。堿性氧化物增加,介電強度降低,SiO2增加,則介電強度升高。玻璃內部缺陷(如氣泡、結石)均會降低介電強度。
玻璃擊穿分為熱擊穿、電擊穿和電化學擊穿三類。熱擊穿是因電流產生的熱量加熱玻璃,使電阻下降,以致玻璃局部發生熱破壞,甚至局部熔化而擊穿。電擊穿是因電壓直接加速玻璃內電子對原子的衝擊而擊穿。電化學擊穿是因電場中的玻璃產生不可逆的化學變化,改變了電極附近的玻璃成分,使玻璃中的電場變得不均勻產生巨大的應力破裂而擊穿。
(4)電解性
是指在有電位差作用的情況下,玻璃中含有的Li+、Na+、K+、Ca2+、Mg2+等金屬離子,當玻璃溫度升高到一定值後,會定向移動,發生的電解現象。電光源玻璃出現電解現象後,會影響產品的合格率。主要電解現象有:
①在陽極和陰極處的玻璃,因Na+離子向陰極方向運動,陽極析出鈉離子減少,玻璃成分的變化,使兩電極處玻璃的膨脹係數不同,當溫度改變時,可能引起玻璃產生微裂紋。
②隨著陽極處的鈉離子的減少,電導降低電阻加大,如超過臨界值則可能被擊穿。
③當鈉離子獲得一個電子還原為鈉原子時,因其化學活性大,可能使陰極引線如杜美絲中的氧化亞銅被還原而造成漏氣。如是鉛玻璃芯柱,鈉原子還原PbO中的鉛後,使引線在封接處變黑。為避免電解現象出現,芯柱應考慮電阻率大的玻璃。
2.1.2.6除氣性
電光源的發光體或電極需要工作在真空狀態或特定組成成分氣體的氣氛中。玻璃中存在的氣體或在工作狀態下釋放出來的其它雜質氣體,對燈的特性參數和使用壽命都會帶來危害。