автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.07, диссертация на тему:Разработка технологии изготовления и некоторые эксплуатационные характеристики ламп накаливания с телом накала на основе углеродных волокон

МИНИСТЕРСТВО УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СССР ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ

Для служебного пользования Экз. №

На правах рукописи

МОРДКК АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБ0Т1-СА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И НЕКОТОРЫЕ ЭКСПЛУАТАЦИЮИНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ С ТЕЛОМ НАКАЛА НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН

Специальность 05.17.07 Химическая технология топлива и газа

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1991

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Зйамени Институте горючих Ископаемых

Научный руководитель - кандидат технических наук, старший

научный сотрудник Рогайлин М.И.

Официальные оппоненты - доктор химических наук Хренкова Т.М.

- кандидат технических наук Бутырин Г.М.

Ведущая организация - Мордовский ордена Дружбы Народов

государственный университет имени Н.Л.Огарева

Защита диссертации состоится "2?" 1991 г

в /0С часов на заседание специализированного Совета К.135.03.02. при Ордена Трудового Красного Знамени Институте горючих ископаемых Министерства угольной промышленности СССР по адресу: Ц7071, Москва, Ленинский проспект, 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "¿У" _ ^^¡/ета 1991 года

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат технических наук

Л.А.Кост

ОЕДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Исходя из задач создания новой прогрессивной техники и реализации ресурсосСерегащего направления в развитии экономики необходимо в полной пере использовать возможности материалов с заранее заданными свойствами, обуславливающих высокий экономический эффект в народном хозяйстве. Применение принципиально новых конструкционных материалов, в частности, композитов, изготовление которых в последние годы возросло в десятки раз и которые многократно превосходят по своим свойствам применяемые в настоящее время традиционные материалы, открывает перед наукой и тгхп;:;сс.Я огромны? перслективы.

Композиционные материалы представляют собой искусственно созданную систему, состоящую из связующего (матрицы), обеспечивающего монолитность материала, и упрочняющего армирующего наполнителя в виде непрерывных высокопрочных волокон или дискретных волокнистых частиц. Композиционные материалы могут быть нз только жесткими, но и эластичными, они легки, более технологичны. Технологи;, изготовления деталей из них в перспективе безотходна. Использование композитов в различных отраслях промыпленности во всем мире резко возрастает, соответственно сн1_*ается и их стоимость /1 /.

Как известно, нить накала в электрических лампах накаливания (ЛН) является самой ответственной частью, от качества и свойств которой зависят как световые, так и прочностные свойства

ламп. Поэтому прогресс в производстве ЛН тесно связан с достилать

ниями в изготовлении достаточно совершенных нитей накала, позволяющих варьировать световые и электрические параметры ламп.

В настоящее время в качестве тел накала (ТН) в ЛН повсеместно используется вольфрам, имеющий самую высокую- из металлов

I. "Пора будить принцессу" - Цравда. 8 июля 1937 г

температуру плавления (ТОЛ"3370°С), что позволяет достигать высоких рабочих температур и световых характеристик лаш. По прогнозам мировые запасы вольфрама имеет заметную тенденции к истощению, поэтому ухе в настояцее время весьма остро ацуцается проблема замены этого дефицитного ецрья другими, более доступными жаростойкими материалами.

Благодаря разнообразным и по ряду показателей уникальным физико-механическим и химическим свойствам, углеродные волокна (УВ) занимают особое положение среди жаростойких волокнистых материалов. В них удачно сочетайтея высокие прочностные характеристики с низкой плотностью, они имеет достаточно высокую электропроводность , низкие коэффициенты теплового расширения, высокую химическую стойкость к большинству агрессивных сред. Использование УВ в качестве ГН без предварительной обработки затруднено из-за того, что их электрические, физико-механические и другие характеристики не обеспечивают достаточных световых параметров и необходимую продолжительность работы. Поэтому весьма актуальной задачей является создание на основе УВ тела накала с соответствующими свойствами.

Цель и задачи работн. Ввиду наличия в настоящее время большого ч^сла УВ, обладающих различными исходными свойствами, а такие создания на-их основе композиционных материалов с заданными характеристиками в целях экономии остродефицитного вольфрама и улучшения экологичносги производства ЛН разработать технологию изготовления ЛН с ТН на основе УВ различных типов.

Исходя из поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

I. На основе анализа литературных данных и собственных исследований выбрать определенные УВ для использования в качестве ТН в Л^ •• .

2. На основа разработки научних основ технологии получения композидеонных углерод-углеродных кагеряалов (КУУЫ), получить композиционное ТН, а также ТН на основе пековой мононити с определенными показателями, обеспзчивгациш достаточный срок службы ламп при удовлетворительных световьх и электрических параметрах.

3. Прорасти исследования физико-мёханических, электрических и теплофизичзских свойств материала углеродного ТН, отвечающих за поведение его в лампе при рабочих температурах.

4. Разработать технологию изготовления Ш с углеродным- ТН и провести измерения их световых и электрических параметров, а также определить предельный срок службы.

5. С цзлыо увеличения светоськ параметров и срока службы исследовать возможность осуществления регенеративного цикла в ЛН с углеродным ТН без использования галогенов.

Научная новизна ряботн:

- впервые разработаны фязико-химичэскне основы получения ТН на базе УВ выбранннх типов, уточнены технологические псрсщетрц процесса и щэедложена принципиальная технологичзскал схема полу-чзния углеродного ТН;

- впервые с учетом сил межатомного взаакодойстгил " сзти!«-ной с ниш энергии активами испарения, частоты теплозкх колебаний атомов и параметра решетки теоретически оценена скорость испарения материала углеродного ТН в вакууме;

- впервые на основе термодинамического анализа систеш» "углерод-водород" в интервале температур 233-4000 К теоретически

расчитан и практически осуществлен регенеративный цикл, роль активной добавки в котором играет введенный в лампу водород;

- показана, что материал полученных углеродных ТН обладает свойством непровисаемостн при высоких температурах и низких механических напряжениях, что способствует формоустойчивости ТН;

исследования высокотйыпературной длительной прочности материала углеродного ТН показали, что разрушение его во всей области температур носит в соответствии с кинетической концепцией прочности интеркристаллический хрупкий характер;

- разработаны и изготовлены образцы ЛН в ТН на основе выбранных типов УВ и измерены их световые и электрические параметры.

Практическая ценность работы.

1. Полученные в диссертационной работе результаты могут быть использованы при создании ЛН общего и специального назначения, в пирометрии, медицине, в источниках инфракрасного излучения и высокой яркости.

2. В результате использования углеродного ТН можно довести его температуру до 4000 К и едав, что дает возможность в перспективе повысить световые характеристики ламп.

'3. На осиове расчетно-экспериментальных оценок даются практические рекомендации по технологии изготовления ЛН с углеродным ТН.

4. Применение галогенов в современных лампах накаливания экологически небезопасно, поэтому использование водорода в качестве активной добавки будет являться экологически чистым решением, а также избавит ор необходимости нанесения галогеностойких покрытий на элементы внутренней конструкции ламп.

5. Подобраны оптимальные параметры (температура ТН, давление и концентрации компонентов газовой смеси), при которых вышеописанный цикл может быть осуществлен, а также исследовано влияние неизбежных при технологических операциях посторонних примесей (кислород и пары воды) на его протекание.

Апробации работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: IX Всесоюзной научно-технической конфе-

ренции по светотехнике (Рига, 1967 г); 1-м Всесоюзном совещании по вопросам материаловедения для источников света (Саранск, 1988 г) в рамках Комплексной научно-технической программы "Человек и свет"; ХШ, ХУ и ХУ1 научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов ВШШС (Саранск, 1983, 1987 и 1990 годы); на заседании НТС ВНИШС (Саранск, 1987 г); Международном симпозиуме по технологии источников света (Йорк, Великобритания, сентябрь 1989 г); Международной конференции по освещению (Варна, Болгария, октябрь 1990 г).

Публикация. По сериала;,; д/.ссертационнпй работы опубликовано II печатных работ, в том числе получено 2 авторских свидетельства.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 197 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных литературных источников /195 наименований/ и содержит 31 рисунок, 4 таблицы и приложения на 30 листах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определены цель и задачи исследований, а также научная новизна и "практическая значимость работы.

. В первой главе приведены данные об использовании графитово-'-го № в первых электрических ЛИ. Представлен обзор литературных "•дяннвк по классификации исходных сырьевых волокнистых материалов,• изготовлению, исследованию свойств и практическому использованию УВ и углекоммзитов в различных областях науки и техники, Рассмотрены способы получения полифиламентных углеродных нитей из гид-ратцеллюлозных (ГЦ), полиакрилонитрильных(ПАН) волокон и волокон ■■а основе жидкокристаллических и обычных пеков. Показано, что

физико-механические, тепло- и электрофизические свойства УВ на основе Щ, ПАН и пека завися« от природы исходного сцрья, особенностей структуры и температур термообработки (карбонизации и графитами).

Улучпение свойств в процессе термообработки связнвапт с ростом ароматических фрагментов, из которых состоят УВ, с процзс-, сом взаимного сшивания этгх фрагментов, повыл ением степени ориен-

тадеи вдоль оси волокна и образованием гра(}итоподобньк областей, -которые с ростом температуры сближаются, переходя в кристаллическую графитоподобную форму. С ростом температуры термообработки улучшаются физико-механические, тепло-, электрофизические и химические свойства УВ.

Литературные данные по таким свойствам УВ и углеграфятовых материалов (УП£) как из ¿учительные характеристики, скорость испарения и давление пара разносОраэны и зачастую противоречивы. Оцнако, тот факт, что УГМ при температурах порядка 2000°С очень хорошо обезгаживаются, а также то, что излучательная способность углерода в любом диапазоне температур вине, чем у-металлов, позволяет сделать вывод о возможности применения УВ в качестве материала для ТН, работающего в вакууме при температурах порядка 2000°С и выше.

Во второй главе осуществлен выбор исходных УВ, представлены результаты исследований их структурных характеристик и технологических свойств, а также на основе анализа теоретических предпосылок процесса формирования !;УУЫ предложена принципиальная технологическая схема формирования ТН из УВ для электрических ЛН.

Структурные исследования УВ на основе ГЦ ("УРАЛ"), ПАН ("КУЛОН" и "ВЭН") и пека проводились рентгенографиаеским методом на установке УРС-2,0 в -излучении. На основании получен-

ных данных простейшую модель структуры элементарного углеродного

волокна можно представить в виде гексагональных кристаллитов различных размеров, связанных,меиду собой облает яш аморфного углерода.

Величина диаиэтра и его равномерность по джине определялась на установке УЦЯП-1 с использованием датчика емкостного типа. Отклонение диаметра полифиламентных УВ от среднего значения находится в пределах Э-10^, а пековых мононитей - 5-6$, что не может не отразиться не электрических, а следовательно, и световых характеристиках лампы. Однако, большая часть дефектов диаметра УВ должна устраняться в процессе формирования ТН.

На основе изучения пластических сеойст:: УВ делятся выбор походных, волокон для создания углеродного ТН и вывод о необходимости формирования ТН в спиралевидную ф?рну до процесса термохимической обработки исходного УВ в среде углеродсодержащего газа.

Известно, что процесс формирования гироуглеродной(1С)матрицы композита определяется величиной открытой пористости наполнителя. Исследования пористой структуры цолифилаиентных УВ проводились методом ртутной порометрии. По ее результатам были построены дифференциальные кривые распределения объемов пор по эффективным радиусам, которые имевт в данном случае по 3 максимума, указывающих на размер преобладающих пор во всех выбранных типах УВ. При весьма близких значениях' таких показателей как диаметр элементарного волокна, число филаментов и степень крутки, пористая структура выбранных типов УВ имеет одинаковый характер. Это дает возможность утверждать, что процесс объемного уплотнения пиро-углередоы заготовок ТН на основе полифиламентных УВ всех выбранных ткпов !/'.. - проводить в едином режиме.

Рассматривая реакцию образования ПУ при термическом распаде СН^ как гетерогенную реакцию на границе раздела двух фаз и исходя из теории Яангмора гетерогенно-каталитичвеких реакций

можно представить процесс состоящим из двух стадий. Первая -диссоциативная хемосорбция метана на поверхности твердой фазы с образованием связей С-С в поверхностном слое кристаллической решетки углерода. Вторая - хемосорбция водорода как продукта основной реакции, которую также необходимо учитывать. Так как скорость гетерогенной реакции определяется скоростью термической диссоциации реагента в адсорбционном слое, а процессы адсорбции и десорбции находятся в равновесии, можно предполагать, что суммарная скорость процесса будет пропорциональна степени заполнения поверхности адсорбированными молекулами реагента. Исходя из указанных соображений и используя закон-действия масс авторами /2/ получено кинетическое уравнение реакции образования ПУ при терш-ческом разложении метана в следующем виде:

1лГ= к-К'Р'/а+21СР и+К'Р') , Ц) где: IV- скорость образования ПУ, А/час; к - константа

скорости термического распада СН^, А/час; к' и к" - константы сорбцаонного равновесия СН^ и Н£, соответственно, атм Р' и Р" - парциальное давление СН4 и Н£, соответственно, атм

Справедливость полученного уравнения в интервале температур 950-1200°С и давлений от десятых долей мм рт.сг. до 100 мм рт.ст. была проверена в работах М.И.Рогайлина, 'И.Н.Ковалевского, И.Л.Фарберова и др., а также расчитаны соответствующие константы .уравнения, приведенные ниже (табл.1).

Очевидно, что при совместном протекании в пористой среде гетерогенной химической реакции и диффузии, в ней возникает градиент концентрации реагента в направлении диффузии, в результате чего различные по глубине слоя .участки контактируют с реагентом различной концентрации. Вывод и решение уравнений, описывающих оба явления - массоперенос и химическую реакцию одновремен-

2. Рогайлин М.И. и др. Повышение качества графитовых изделий для полупроводниковых материалов // Цветные металлы, 1980, №9. -С.49-52.

Таблица I Константы кинетического уравнения

ГС 950 975 1000 I02S 1060 HOP Ц50 1200

k,А/час 141,92; 538,27 2177,8 22961,8

291,21 1146,5 7386,1 65993,4

К(атм-1 1043,52 419,26 181,52 40,55

632,1 273,5 83,41 20,76

кГатм"1 2341,7 1259,7 712,5 257,4

1682,5 . 941,5 419,9 163,4

но, основан на общем уравнении материального баланса. Имел ввиду то, что в стационарном состоянии протекания реакции на поверхности пористого материала разность между скоростью потока реагента ■ в пористую структуру и скоростью отвода продуктов реакции из пор равна скорости химической реакции в рассматриваемой области пористого материала, а такяе в соотношении со стехиометрическим уравнением реакции CH¡pC + 2Hg и ее кинетическим уравнением (I), уравнение материального баланса запишется в виде:

где: L - длина единичной поры, 2 - ее радиус, В - ковффициент внутренней диффузии, Р - общее давление в системе. Полное решение уравнения приводит к выражению:

где: ¿ - расстояние по длине поры, см; f - безразмерная концентрация реагента, Л = i+2K"P/P(K"~ tf') -безразмерная комплексная величина. Приведенное выражение показывает взаимосвязь между глубиной уплотнения (/), степенью превращения (.У), общим давлением в системе (Р), температурой , ft'ж ft"' ), характеристиками пористости ( Z ) и коэффициентом внутренней диффузии (U ).

При выборе оптимального реяима работы проточного реактора необходимо определение соотношения между степенями превращения по гомогенному и гетерогенному механизмам. Для этого воспользуемся уравнением (I), преобразованным для случая проточного реактора идеального вытеснения. В этом случае для гомогенной реакции СН^СНз + Н:

tu dx/pdí = k-Pfí -x)/U *x)

для гетерогенной реакщи СН^—С + 2Hg '•

n*dx/pcte§ = kK'P(i-x}/ft+x+2K "Px+M-xJPj

После проведения соответствующих перегруппировок и интегрирования получим:

для гомогенной реакции: -X-26n(i~X) -k-Pp-B/n,

для гетерогенной!-U+2K"P-K'P)-2U+fCP)£nM-X)= (2)

t

где: X - степень превращения реагента, п. - его расход, с,ръР - длина реакционной зоны, площадь поперечного сечения и общее давдедше в реакторе, соответственно.

Из (2) следует, чм к развитии гетерогенного процесса будет вести снижение давления, температуры и увеличение реак^юн-iíoQ поверхности S по отношено в объему Т/"реак[$10нн0й зоны. Исходя из условий полного заполнэния преобладающих пор исходной заготовки, теоретически расчитаны основные технологические параметры 'режима уплотнения неходаьк заготовок углеродного ТН пиро-угдеродом (температура, давление, расход реагента, продолжитель- • ность процесса).

Сорбирование ГН на основе пекового моноволокна проводятся в тех же условиях, но в течение более длительного' (»2,0-2,2 часа) времени. 2а это время на поверхности заготовки осатдается слой ПУ толщжой около 13-15 ыкм, который (при диаметре исходного моноволокна ~ 120 шш) способствует залечивагца) поверхностных дефоктов исходного волокна, а такие обеспачввазт сохранение

Таблица 2

Режим форшроюния КУУМ ТН

Наименование параметра Веякчжа и размерность шурмятра

Температура в реакторе 1200°С

Остаточное давление газа-реагента 18±3 мм рт.ст

Продолжительность цикла работы 1,5±0,1 часа

Расход реагента (цетака) 140 л/час

Концентрадая кетана в исходном газе 95-99?

Время естественного охлаядения после

остановки процесса 4.5-6.0 час

формы ТН при рабочих температурах.

Принципиальная технологическая схема получения углеродного ТН п¡стачает в себя:

- формование исходной спиралевидной заготовки из УВ методом сухой намотки на графитовую оправку заданных размеров;

- термохишчеснуа обработку с целью формирования материала углеродного ТН путем осаздения НУ на поверхность и в объем заготовки при термическом разложении метана;

- высокотемпературный отзиг (ВТО). полученных ТН "в зшево-ленном состоянии" в инертной среде при температурах эксплуатации с целью снятия внутренних напряяений.

Технология изготовления ЛН с ТН на основе УВ практически аналогична технологии изготовления ЛН общего назначения и отличается лишь режимами- отдельных технологических операций.

Третья глава посвяцена исследованию эксплуатационных характеристик полученного ТН и ЛН с ним. Согласно кинетической концепции прочности, деформация и разрушение материала характеризуется но крщтоэс киыи значениям прочности, а скоростью деформации и

разрушения, а также временем до разрушения. Наибольшее признание в нвстояцее время получила зависимость между напряжением (.6), вызываемым нагрузкой, температурой (Т) и временем (Т) от момента приложения нагрузки до разрушения образца (формула Журкова):

где: 1С =¿¿,-^6" - энергия активации разрушения, причем ¿¿а - величина начального энергетического барьера (при б «0);

- постоянная, совпадающая с периодом тепловых колебаний атомов материала; ^ - структурный фактор, характеризующий величину перенапряжения внутри материала в месте разрушения. Энергия активации разрушения ¿¿=¿¿.-¿"6" уменьшается с увеличением б . Для самой малой нагрузки энергия активации разрушения составляет « 167-КН , что близко к энергии сублимации., г - ат

углерода (~170 ■). Разрушение образца наступает при нагрузках гораздо меньших предела прочности материала, что подверждает положения кинетической концепции разрушения. С ростом температуры испытаний образцы материала ТН разрушались быстрее, что объясняется соответствующим увеличением количества разрушенных межатомных связей.

Ползучесть образцов материала ТН исследовалась при различных нагрузках и температуре Тцв-2200 К. С повьшением нагрузки скорость ползучести возрастает. Однако, при нагрузках порядка 2,0-2,5 кГ/мм2 для КУШ, а также 1,0-1,2 кГ/мм^ для материала ТН на Основе пековой монояити на протяжении эксперимента не наблюдалось ускоренной стадии ползучести, предшествующей разрушению, что свидетельствует об отсутствии провисания углеродного ТН в лампе, где оно находится при гораздо меньших нагрузках (под действием лишь собственного веса). Это является пало-иительной характеристикой углеродного ТН.

Данные по упругости пара и скорости испарения углерода, опубликованные в литературе, немногочисленны и весьма противоречивы. Зависимость скорости испарения углерода в вакууме (10 -Ю-^ ым рт.ст.) от температуры у многих исследователей выражена эмпирическим .соотношением:

¿дЗ = 9,0?2 - 3865О/Г. В работе осуществлена попытка теоретической оценки скорости

испарения углеграфитовых материалов по формуле:

3 ^АпЛехр(-и/кт) -/¡р/угялкт'.

описывающей поток испаряющихся атомов у поверхности твердого тела. Здесь А - атомный вес, пл - поверхностная плотность атомов решетки материала, У - частота теплого колебаний атомов, и. - энергия активации испарения, Р - давление 'пара над поверхностью материала. Пренебрегая вторым слагаемый, описывающим скорость конденсации испарившихся атомов на поверхность в условиях вакуума, а также полагая, что частота тепловых колебаний атомов углерода близка к Ю^ сек"^, энергия активации исцарения

его составляет —^^моль и 0ПРеДеляя поверхностную плотность

ТА ?

атомов углерода в решетке как I * 10 см . можно теоретически оценить величину скорости испарения при любой температуре.

Полученные теоретические данные достаточно хорошо сОглесуют-ся с эмпирическими данными различных авторов и экспериментальными данными для углеродного ТН (Рис. I).

На величину электросопротивления углеродного ТН влияет, во-первых, природа исходного УВ, а также степень его крутки. Осажденный в поровом пространстве и на поверхности волокна ПУ при формовке ТН уменьшает дефектность структуры материала, что обуславливает снижение удельного электросопротивления в 4-5 раз.

Решением задачи о параллельном соед^даении проводников оценен вклад исходного волокна и ПУ в электросопротивление КУУМ ТН (Рис. 2), а также зависимость электросопротивления материала

3(1

200

0.30 0.34 0.38 0.42 ^Тк,Ю'

Рис.1. Зависимость скорости испарения углерода в ваку-

Уые(1СГ3-г10-4мм рт.ст.) от температуры.

1- эмпирические данные различных авторов

2- расчетные данные

3- экспериментальные данные для .углеродного Тн

I (ом-мм8/*)

Ю 20 30 П9,ИЮ»

Рис.3. Расчетная (-) и (°) экспериментальная зависимость рт ТН на основе пе-ковой мононити от толщины пленки ПУ на поверхности.

«0

JQQ 50

\ щ,

V i

\

ч Ч X

__^

О 500 1500 2500 Т,К

Рис. 2. Температурная зависимость р„.

1- исходного УВ "УРАЛ"

2- ПУ, осажденного в порах УВ "УРАГ (расчет)

3- ЮУМ тела накала на ос-Е(6т/Мч нове УВ "УРАЛ"

Д/8Й

Рис.4. Спектральное распределение энергии излучения АчГ(>

С»)

, ого ТН ( • ) при и Т=3400 К.

ТН на основе пекового моноволокна от толщины слоя ПУ на поверхности (рис.3) при разных температурах. С ростом температуры электросопротивлении исходного УВ, ПУ и материала углеродного | ТН падает. Электросопротивление материала ТН после высокотемпе- | ратурного отжига (ВТО) в инертной среде при температуре будущей . эксплуатации в 1,5-2,0 раза ниже, чем у образцов не црошедаих } ВТО и также падает с повышением температуры измерений. Причиной является, видимо, структурная перестройка ПУ и повдаение совершенства его кристаллической решетки при высоких температурах.

Пр::кс::скяе аргоно-азотного наполнения и изменение геометрических характеристик ТН позволило получить сравнительно высо-куп световуп отдачу (СО) (до 5,0 л«/Вт) и достаточный срок службы (800-1200 часов) при Тцв-2200 К. Экспериментальная температур- ; ная зависимость СО ламп с углеродным ТН хорошо согласуется с I

теоретическими расчетами. При температуре порядка 2900-3000 К.

I

СО на которых ламп достигает 15-17 лм/Вт, но резко падает полезный срок службы ввиду потемнения колбы. Столь высокая СО говорит о наличии еще не использованных резервов повшения световых характеристик углеродных ТН, т.к. их можно довести и до более высоких рабочих температур (поредев 4000 К). ' |

Энергия излучения углеродного ТН близка к энергии излучения абсолютно черного тела (АЧГ), т.к. спектральный коэффициент (

излучения углерода (£л) близок к единице. Цри Т~2400-2800 К I

подав^зцая часть энергии излучения летит в ИК - области спектра. При увеличении температуры максимум энергии излучения смещается в сторону меньших длин волн и при Т« 3400 К он попадает в видимув ! область спектра (Рис .4). РасчитанныЯ КПД таю« ламп при Т-2800 К составляет — 10$, при Т»3400 К - уже ~ 24&. (Для газополных вольфрамовых-ламп световой КПД составляет при той зе температуре

ТН ( 2800 К) и подводимой электрической мощности I кВт). Можно ожидать,что КОД лампы с углеродным ТН при рабочих температурах,

г

превышающих температуру плавления вольфрама, должен быть весьма высоким.

Для ламп в прозрачной колбе светораспределение не имеет принципиального значения, так как в условиях эксплуатации оно определяется, главным образом, осветительной арматурой. Кривые .пространственного светораспределения лампы с углеродным ТН и вольфрамовой нормальной осветительной лампы имеют практически аналогичную конфигурацию. Изменением геометрических размеров углеродного тела накала и его расположения в колбе лампы, а также изменением размеров колбы и нанесением на нее отражающего, поглощающего или рассеивающего покрытия можно добиться любого необходимого распределения силы света в пространстве.

В четвертой главе рассмотрены вопросы псвьшения световых характеристик и срока службы ламп. Традиционно это достигается повьшением температуры ТН и осуществлением химического цикла переноса испарившегося углерода от стенок колбы к ТН. Экспериментальные исследования, подобные работам фирм PHILIPS и

NARVA , по применению галогенов в качестве "транспортирующего" газа дали аналогичные результаты. Параллельно исследовались возможности осуществления регенеративного цикла, при котором роль активной добавки играет введенное в лампу определенное количество водорода в смеси с наполняющим лампу инертным газом (без применения галогена).

Предварительное термодинамическое исследование возможных в системе "углерод-водород"реамдей путем расчета значений их мольных изобарно-изотермических потенциалов (дб-г.м )в интервале температур 2913-4000 К по методу, приведенному в /3/, используя стандарт-

■ у

3. Казанская A.C., Скобло В.А. Расчеты химических равновесий. -М.: Высшая школа, 1974. - С.147

ные термодинамические данные об энтальпиях образования веществ при абсолютном нуле температур и приведенных энергиях ГМбса показало, что в случае системы "твердый углерод-водород" д£*,м имеет отрицательное значение только для реакций образования метана и этана в области низких температур (298-500 К, около стенок колбы), причем образование метана более выгодно. Для системы "газообразный углерод-водород" значения дбт.м всех возможных в ней реакций имеют отрицательные значения в области температур 298-3000 К, а при Т>3000 К - он^ положительны, т.е. в зоне ТН образовавшиеся углеводороды диссоциируют на. газообразные углерод и попород. Углерод может адсорбироваться телом накала, а также частично диффундировать вместе в водородом в область относительно низких температур.

Расчет парциальных давлений (Р;) в системе С - Н£ - Хе при температурах 296-4000 К показал, что при изменении общего давления от 0,2 до 2,0 атм няблюдается постоянный состав газовой фазы (Рис.5) и соответствующее изменение Рс компонентов, а увеличение относительного содержания ^ от Ю-^ До 10"^ приводит к росту компонентов скеси и появлению ночых углеводородных соединений п^и 1000.-1600 К. Перенос углерода от стенок колбы на ТН будет осуществляться в том случае, когда 21 РС(Т) при температурах стенок колбы будет не меньше аналогичной величины определенной при температурах ТЙ", т.е.

Т_Рс(Гк) > Лрс(ТТН) (з)

Видно (Рис.б), что условие (3) выполняется, если температура ТН будет находиться в интервале 2700-3500 К, а стенок колбы - не вше 500 К. Эти результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными для лабораторных образцов ламп. Так продолжительность работы л^и'п, заполненных смесью Н^'-Хе, без потемнения

* 2Г/7С(Т) определяется парциальными давлениями углеводородных соединений, а таете углерода в отокормв»» и молекулярном состояниях.

Л ГРе

Рис.5. Состав газовой фазы в Рис.6. Полное эффективное

системе С-Н2 как функ- давление углерода в

дая температура для системе С-Н^ как функ-

относительного содер- ция температуры для

жания водорода 1'Ю-^. относительного содер-

жания водорода

колбы возросла в 5-7 раз по сравнению с лампами, заполненными спектрально чистым ксеноном, а СО их при температурах 27003200 К составила 12,5-18,0 лм/Вт

Расчет значений дбт°м для реакций, имеющих место в сиете-уч С-^-Хе при неизбежно присутствующих в лампе кислороде и парах воды показал, что ни кислород, ни вода в небольших количествах не являются помехой в объеме лампы, если в ней имеется небольшое количество свободного водорода. Кислород служит для образования неустойчивой окисной формы углерода с последующим переводом ее в метан путем взаимодействия со свободным водородом в зоне стенка коВода *е либо диссоциируя, либо реагируя с угле;одом во Есеа интервале температур или с его окисью ¡^ л Т 41500 К

будет способствовать тому же. Расчет р£ компонентов системы С-Н^-Хе-С^при концентрац'.ях в пределах - 0,00Й от общего содержания компонентов) показал, что кривые Рс (Т) проходят практически аналогично таковым для системы С-Ь^-Хе, т.е. выполняется условие (3) при тех жг> температурах.

• Резюмируя вшесказанное, можно отметить, что все реакции, протекавщие в ЛИ с углеродным ТН и водородным регенеративным циклом, при температуре выше 800-1000 К, дают продукты, которые при температурах стенки колбы в различных химических превращениях образуют метан, процесс образования которого является своеобразным "щитом", защищающим поверхность колбы от осаждения твердого углерода и не влияххцим на световые характеристики ламп.

ИЖЩЫ

1. На основе анализа литературных данных, а также предварительна исследований свойств УВ выбраны типы исходных волокон для углеродного ТН.

2. Анализ теоретических основ процесса формирования ЮТМ позволил теоретически расчитать режимные параметры процесса формирования пироуглеродной матрицы КУУЫ ТН исходя из условий полного заполнения пироуглеродом пористой структура заготовки и с учетом требований, предъявляемых к готовому изделию.

3. Формирование углеродного ТН на основе пекового моноволокна происходит при тех же режимных параметрах, но при большей продолжительности процесса. В результате, осажденный на поверхности заготовки слой ПУ частично залечивает поверхностные дефекты и обеспечивеет сохранение необходимых характеристик полученного ТН при рабочих температурах.

4. Предложена принципиальная технологическая схема формования углеродного ТН, включающая:

- формование исходной спиралевидной заготовки из УВ

методом намотки на греф^тову» оправку заданных размеров;

- термохимическую обработку с целью формирования КУУМ путем осаждения НУ из газовой фазы на поверхность и в о<^>ем заготовки из позтифиламентной нити, а такие пленки НУ необходимой толщины на поверхность заготовки из пекового моноволокна при термическом разложении .углероде одержите го газа;

- ВТО в инертной среде при температуре эксплуатации с целью снятия внутренних напряжений между УВ и ПУ.

5. Технология изготовления ЛН с углеродным ТН практически аналогична технологии изготовления ЛН общего назначения и отличается лишь режимами отдельных технологических операций.

6. Исследозан ряд эксплуатационных характеристик ТН на основе УВ раг^ичных типов, в том числе показано, что:

- полученные углеродные ТН обладают свойством непровисае-мости при высоких температурах и низких механических напряжениях, что способствует формоустойчивости ТН;

- разрушение материала ТН при высоких температурах происходит в соответствии с кинетической концепцией прочности;

- электрические характеристики ТН улучиаются по мере увеличения степени крутки исходных УВ, количества НУ в поровом пространстве на поверхности волЬкон и рабочей температуры ТН. ВТО снижает электросопротивление углеродных ТН в 1,5-2,0 раза;

- скорость испарения углеродного ТН по сравнению с вольфрамовым существенно выше, что является отрицательным фактором, т.к. способствует ускоренному потемнению колбы ламп.

7. Изготовлены лабораторные образцы ламп вакуушого и 1?азо-полного исполнения мощностью 250-350 Бт. Световая отдача таких ламп составляет 4,0-Ь,0 лм/Зт пун рабочей температуре ТН Тцв-С200 а к продолжительности горения дв 1200 часов. Для ЛН

меньшей мощности, ТН должны изготавливаться из УВ меньшего диаметра. К концу срока службы ввиду осаждения испарившегося углерода на стенки колбы световые характеристики уменьшаются.

8. На основе расчета спектрального распределения энергии излучения показано, что использование ламп с углеродным ТН в области высоких температур энергетически выгоднее, т.к. при температурах порядка 3400 К и вше максимум энергии излучения будет приходиться на видимую область спектра. Расчетный КПД таких ламп при Т-3400 К составляет « 24^2.

9. С целью повцгеккя стябильтсти световых параметров ламп с углеродным ТН опробован регенеративный цикл с применением галогеиосодержащих соединений. Из-за высокой активности свободного галогена происходит ускоренное химическое трявление относительно холодных участков TH.,

10. На основе расчетов с применением химической термодинамики показана принципиальная возможность и осуществлен химический цикл переноса испарившегося углерода от стенок к ТН без применения галогена, что имеет ряд известных преимуществ. Наличие в лампах незначительных количеств кислорода и паров воды не нарушает химического цикла переноса углерода и даже частично способствует его ¡про?екянию.

- Использование результатов работы позволит улучшить эколо-гичность производства ЛН за счет приданения углеродного ТН вместо вольфрамового и замены токсичных, галогенов в газовом наполнении лампы на водород.

Основное-содержание диссертации опубликовано в следующих работах :

I. А.с.»1240180. МКИ H0IK, 1/06, 1/50 Тело накала дчя электрических источников света //Рогайлй-н ivi.il., Здовин U.C., Никулин М.Ы., Мирэоян С.М., Ыордюк A.E./CCGP/-334J633/24-07 Заявлено 25.01,85, Спубл.23.07.86.< Бол.№27

2. Вдовин H,С., Мордок А.В., Никулин М.Ы., Спирина Т.Т. О возможности создания лампы накаливания с углеродным телом накала // В сб. Источники света и материалы для их производства (Труды ВНИИИС имени А.Н.Лодыгина) - Саранск, 1987, вып.19,С.86-90

3. Рогайлин М.И., Мордюк А.В. Некоторые результаты работ по углеграфитовым материалам для тела накала ламп накаливания //В сб. Электрические источники света (Груды ВНИИЖ имени А.Н.Лодыгина) - Саранск, 1988, вып.20, C.I2I-I28

4. Вдовик Н.С., Рогайлин М.И., Ыордюк А.В. Некоторые свойства углеграфитовых тел накала и характеристики ламг накаливания на их основе //Тезисы докладов IX Всес.научн .техи .конф. "Задачи светотехнической науки в повьиении эф^ктивности освещения и развитии светотехнического производства".-М.:Изд-во Информэлектро, IS87- С.28-29

5. А.с .№75250 ЫКИ HOIK 1/50 Лампа накаливания с углеродным телом накала и регенеративным циклом // Вдовин Н.С., Рогайлин М.И., Мордок А.В., Никулин М.Ы./СССР/.-4418228/24-07 Заявлено 27.04.88, опубл.30.06.90. Бюл.*24

6. N.S. Vdovin , Jt.J. Eogailin, A.V.UordJuk Production Technology, Some Electrical and LIght Paramétrés of Incandescent Lamps with Filament of Coapoalte Matériel on Carbon Base // 5th International Symposium on the Science s: Technology of Light Sources . York - England 10 - 14 September

1989 , paper N62 , p. 213 - 214 . ' 4

7. Мордюк A.В.,- Никулин M.M., Спирина Т.Т. Некоторые физические свойства материала углеродного тела накала с частично разупорядоченной структурой // Материалы с частично и сильно разупорядоченной структурой. - Саранск.: Мордовский Гос.универ- • ситет, 1990. - С.ЭЗ-З?

8. Вдовин Н.С., Рогайлин М.И., Мордюк A.B. Технология получения, электрические и световые параметры ламп с телом накала из композиционного материала на основе углерода.//Светотехника.-Ы. :Энергоатомиздат, 1990, №6.-С.3-5

9. Вдовин Н.С., Мордак A.B., Черников П.Г. Некоторые зависимости между электрическими и световыми параметрами ламп накаливания с углеродным телом накала.//Светотехника.-М.:Энерго-атомиздат, 1990, №9. -С.4-5

10. Вдовин Н.С., Рогайлин М.И., Мордюк A.B. Технология изготовления, некоторые эксплуатационные характеристики, световые и электрические параметры ламп с телом накала из композиционного материала на основе углеродных волокон.//Резюмета на докладите. Осма международна конференция по осветительна техника "Осветление 90", Варна /НРБ/, окт.,1990. -Варна, 1990.-С.53

11. Рогайлин М.И. Мордюк A.B. Углеродная нить - новый перспективный материал для тела накала ламп накаливания.//Материалы для источников света н светотехнических изделий./Межвузовский сборник научных трудов. -Саранск, 1990. -С.40-46,