关于白炽灯丝断裂问题的浅析_教法学法-查字典物理网

白炽灯在照明工程、照射技术（加热干燥等）和科学研究中都有广泛的应用，是最重要的热辐射光源。但由于它的某些不足之处，严重地阻碍了其进一步发展和应用，白炽灯寿命短就是其中之一。荧光灯的寿命为10000小时，而白炽灯只有1000小时，仅为荧光灯寿命的1／10，从而成为关注白炽灯发展状况的学者所重视的焦点问题之一。

97年《物理教学》上刊登了王广清的《频繁开关白炽灯会影响灯泡寿命吗》及王新智等人的《关于白炽灯丝熔断问题的再讨论》两篇文章均对灯泡寿命问题有所论述，本人学习思索之余，就白炽灯断丝问题，从金属物理、金属力学。金属化学的角度提出一些见解，供同行参考。

一、灯丝的制作

金属钨（W）具有熔点高、蒸发率低，在可见光区有较高的选择辐射、高温下机械强度高、电阻系数大、较易加工成型等优点，故此，现代白炽灯都采用金属钨作为发光体。

灯用钨丝是用粉末冶金方法加工制作的。先将钨砂（WO₃）经氢气还原制得金属钨粉，压制成钨条放在氢气炉中直接通电进行烧结（烧结温度在3100℃左右）制成钨的金属棒，然后用旋锤机锻造，通过金刚石细孔，多次拉拔成细丝，并卷曲成螺纹状钨丝。

拉制出来的钨丝具有纤维结构，但其温度到1100—1300℃，会发生再结晶现象，使纤维结构遭到破坏。当温度达到1500—1600℃时，则晶粒发生长大，使钨变脆，并引起高温下垂。由于实际应用中钨丝的工作温度一般高达2400K—2600K以上，为改进钨丝质量，在烧结过程中常加添加剂，如Na₂O，K₂O，SiO₂，ThO等，以改变钨丝的再结晶组织，提高高温抗蠕变能力与钨丝的高温抗下垂能。

根据钨丝制作工艺可知，钨丝烧结温度低于熔点，钨原子扩散不很充分，添加剂的使用及钨粉的纯度不可能百分之百的纯净，就势必造成晶间夹杂，存在成分结构不均匀。又经多次拉拔，产生过量塑变，使钨丝内部存在大量的空位和位错。虽经退火处理，但位错仍以网状存在于灯丝之中。又钨系体心立方晶格，电子层分布不对称，使原子结合力具有方向性，其位错阻力（Peteres应力）较大。又晶体本身脆性较大金属的力学性能，对温度急变与应变速度极为敏感，故钨丝在点燃前就是一个存在着随机缺陷敏感组织的裂纹体。

二、灯丝正常发光时，断裂机理的分析

1、灯丝的“升华”变细机制

灯丝在高温下“升华”变细的原因主要有两个方面，一个是“水循环”破坏作用造成，另一个由钨本身的物理性质蒸气压所致。

（1）灯泡经抽气后，不可能达到绝对真空，不免有残留氧气（O）和水蒸气（H₂O）吸附在灯丝上，在白炽的情况下发生化学反应。

a．水蒸气在白炽灯丝上离解为氢和氧

b．氧和钨反应，能形成易挥发的氧化物，从灯丝上蒸发出来，而沉积在泡壁上。

c．从灯丝上扩散出来的H与泡壁上的氧化钨进行还原反应

这些过程的进行，其结果使钨从灯丝迁移；到泡壁上，而水始终保持恒定，与钨丝不断作用形成“水循环”的破坏作用，灯丝就这样变细，又由于“升华”的随机性，使钨丝表面变得粗糙甚至带有缺口（毛刺），进一步加强了钨丝的脆性敏感，最后变细的灯丝不能承受机械载荷或震动而断裂，或者在局部处因灯丝变细、电阻相对。变大，温度变高，易达到熔点而烧断。

（2）钨丝在高温工作时，蒸发速度大大上升，表1给出了钨在各种温度下的蒸发率和直径为0．1mm的直线钨丝在真空中工作时的寿命。

表1

温度T（K）	蒸发率V(g／cm²·s)	直径为0.1mm钨丝的寿命H(h)
2000	15.5×10^-15	1.00×107
2200	22.4×10-23	7.20×104
2400	13.8×10-11	1.11×103
2600	41.7×10-10	3.86×10
2800	83.3×10-9	1.9
3000	10.5×10-7	0.15

由表中数据可看出当灯丝工作温度从2400K提高到3000K时，蒸发率增加了约7600倍，寿命从1000小时下降不到一小时，由此可见，在高温下钨的蒸发对灯丝寿命的影响非常重要。由于白炽灯丝的不均匀性，当灯丝通电工作时，在钨丝直径较细和螺距较密处的温度较高，钨的蒸发就比其他部分剧烈，这样一来该处的钨丝变得更细，则温度变得更高，产生恶性循环，最终导致该处灯丝烧毁。

2．晶体点缺陷对钨丝断裂现象的影响。

除钨“升华”使钨丝变细机械断裂或热点熔断外，另一影响钨丝寿命的主要因素是点缺陷，其中主要是空位的影响。

用电子扫描显微技术观察灯丝，在晶粒表面有黑色的圆形点子，这些点子是空穴而不是实心，而且空穴成线性排列与钨丝轴线大致平行，另外在晶粒内部和晶粒边界处都会观察到空穴，但这种空穴数量往往沿晶粒边界，特别是边界核处要多一些。

另外，空位平衡浓度C与温度T的关系呈指数规律变化

G＝Aexp（－u／kT）（u为空位形成能）

由上式可知，灯泡正常发光时（T约为2400Kt2600K）的空位浓度将增到常温时空位浓度的数十亿倍。

（1）由于高温下，空位在晶界，晶棱等处剧增密集，形成多空位，空位片，空位洞，由于钨的“升华”作用，使得存在于钨丝表面附近的空穴暴露出来，形成微裂口，该微裂口一旦产生并扩展，超过它的临界尺寸，钨丝晶间的塑性变形能力便会急剧下降，灯丝变脆，在宏观上表现为脆断。

（2）在研究灯丝烧毁的过程中，发现变细的线圈内空穴数量要多一些，于是认为存在的空穴及其数量的差别可能是造成钨丝工作温度不一致的原因，空位扩散在晶界上形成空洞，并在高温区极大地增大了孔隙率，该处电子导电产生散射作用变大，引起电阻增大，从而使温度进一步升高，该处空位浓度进一步增大，电子散射作用进一步加强，如此恶性循环，使灯丝熔断。

一般说来，空位趋向于晶间夹杂处会聚，（灯丝缺陷敏感部位），因此实际上存在着灯丝脆断和熔断共存的机制，且这种机制使灯丝断裂的可能性较大。

三、频繁开关自炽灯对何丝寿命的影响

白炽灯的启动性能好，从对灯施加电压到发出额定光通量为止，只需数百毫秒的时间，图1表示普通照明灯40W，60W的点灭特性。

在如此短的点熄灭时间内，其瞬间过渡电流约为额定电流的7～10倍，通常在数百毫秒到数秒内的燃点熄灭周期内，就大致可使寿命缩短2—8％。

1、频繁开关白炽灯，使灯丝出现急冷急热，温度发生反复变化，又由于钨丝内部晶体呈纤维状，表现出各向异性，导致热应力。当热应力超过材料高温下的弹性极限时，将发生局部塑性变形，经过一定的循环次数后，即可能引起热疲劳裂纹，有些裂纹联合起来形成主裂纹。这些区域就成了应力敏感处。另一方面，灯丝的急冷急热，产生热冲击现象。这种热冲击产生的热应力，远远大于灯丝正常发光时的恒定的热应力，而且这种应力以冲击式的高速加在灯丝上，容易在已存在的应力敏感区出现应力集中，使裂纹纵深扩展而导致灯丝点熄间断裂。

总而言之，频繁开关白炽灯，电流的冲击作用表现为对灯丝的热冲击与热疲劳，使钨丝内部组织也发生相应变化，使钨丝塑脆转变行为频繁发生，在热冲击应力作用下，某一脆性区断裂的可能性大大提高。

2、频繁开关白炽灯，钨丝晶体缺陷对其寿命的影响。

四、过饱和空位的影响

钨丝内高温形成的空位在急剧冷却的过程中，来不及消失，使空位在低温下“冻结”，被“冻结”的空位，浓度大大超于正常时的空位浓度。当再次点燃灯丝，在空位浓度大处，对电流的散射作用也大，该处的电阻变大。电阻率差位面。与浓度差位dC成一定比例，如下式