Przegląd podstawowych materiałów oświetleniowych
Rozwój nowoczesnego oświetlenia jest nierozerwalnie związany z ewolucją i innowacją podstawowych materiałów oświetleniowych. Od pierwotnych, tradycyjnych materiałów, po powszechnie stosowane obecnie nowe materiały, naukowe zastosowanie materiałów oświetleniowych znacząco poprawiło wydajność i żywotność opraw oświetleniowych. Materiały te wykazują doskonałe właściwości w różnych temperaturach i warunkach pracy, stanowiąc kluczową siłę napędową postępu w technologii oświetleniowej.
▣ Klasyfikacja materiałów
▣ Materiały wypełniające i uszczelniające
W konwencjonalnych regionach o niskich temperaturach (<140°C) powszechnie stosuje się tradycyjne materiały, takie jak żywice indygo, kauczuk neoprenowy, spieniony kauczuk EPDM i formowana wtryskowo pianka poliuretanowa. Jednak w regionach o wysokich temperaturach (>200°C) wymagane są wytłaczane, formowane lub cięte żywice silikonowe. W ostatnich latach metody reakcji formowania wtryskowego stały się najnowszą innowacją, umożliwiającą bezszwowe, wysokiej jakości uszczelnienia. W różnych regionach temperaturowych stosuje się tradycyjne i nowe wypełniacze, aby zapewnić połączenia mechaniczne i uszczelnienia.
Przez cały okres użytkowania lampy, szpachlówka trzonka lampy musi zapewniać niezawodne połączenie mechaniczne między różnymi współczynnikami rozszerzalności cieplnej a różnymi materiałami lampy. Materiał używany do mocowania metalowego trzonka lampy do szklanej bańki to zazwyczaj mieszanka około 90% wypełniacza z proszku marmurowego z żywicami fenolowymi, naturalnymi i silikonowymi. Do przymocowania ceramicznego trzonka lampy do korpusu lampy z topionej krzemionki wymagana jest pasta lutownicza o wyższej temperaturze topnienia, której głównym składnikiem jest mieszanina krzemionki i spoiw nieorganicznych, takich jak krzemian sodu.
▣ Gazy Podstawowe gazy używane w lampach, jako składniki powietrza, są zazwyczaj uzyskiwane w procesie destylacji frakcyjnej. Gazy te służą nie tylko do kontrolowania różnych procesów fizycznych i chemicznych, ale także do generowania światła. Podczas pracy lampy wysoka temperatura znacząco zwiększa reaktywność chemiczną wielu materiałów lampowych, co może prowadzić do poważnych uszkodzeń materiałów konstrukcyjnych lampy. Aby tego uniknąć, konstrukcja lampy musi być chroniona poprzez kontrolowanie utleniania i korozji. Powszechną metodą jest stosowanie gazów obojętnych lub niereaktywnych w celu utrzymania środowiska roboczego wewnątrz lampy.
Procesy fizyczne, takie jak parowanie i rozpylanie, skracają żywotność krytycznych elementów, takich jak żarnik i elektrody. Jednakże, gdy lampa jest wypełniona gazem obojętnym, a gęstość gazu jest wystarczająco wysoka, szkodliwość tych procesów ulega znacznemu zmniejszeniu. Chociaż krypton o wysokiej gęstości może być stosowany w niektórych żarówkach, aby zmniejszyć przewodzenie ciepła i zapobiec parowaniu żarnika wolframowego, wydłużając tym samym żywotność lampy, w zastosowaniach praktycznych zazwyczaj stosuje się argon jako gaz wypełniający.
Cząsteczki azotu mają zdolność zapobiegania powstawaniu niszczących łuków elektrycznych między elementami o różnym potencjale w lampie. Dlatego gaz wypełniający lampy zazwyczaj składa się z azotu lub mieszaniny azotu z gazami obojętnymi: argonem i kryptonem. W lampach wyładowczych gazy monomolekularne, takie jak argon, neon i ksenon, są stosowane jako gazy pomocnicze do inicjacji wyładowania. Ponadto, gazy metalohalogenkowe również odgrywają wyjątkową rolę w gazowych źródłach światła wyładowczych.
Ze względu na ekstremalnie wysokie temperatury pracy lamp, niektóre krytyczne elementy lampy są bardzo wrażliwe na śladowe ilości gazów utleniających i domieszkowanych węglem, w tym tlenu, tlenku węgla, dwutlenku węgla, węglowodorów i pary wodnej. W większości lamp zawartość tych szkodliwych zanieczyszczeń jest zazwyczaj ściśle kontrolowana i może wynosić zaledwie kilka części na milion całkowitej zawartości gazu wypełniającego.
▣ Materiały Getter
Podczas pracy żarówki elementy takie jak żarnik i elektrody osiągają ekstremalnie wysokie temperatury. Elementy te są bardzo wrażliwe na otaczające gazy i łatwo reagują z tlenem resztkowym, parą wodną, wodorem i węglowodorami, wpływając tym samym na działanie żarówki. Dlatego należy podjąć działania w celu wyeliminowania lub ograniczenia ilości tych gazów resztkowych. Materiały pochłaniające gazy usuwają gazy resztkowe z żarówki za pomocą materiałów metalowych lub niemetalowych, utrzymując jej wydajność.
Getter to materiał specjalnie zaprojektowany do usuwania zanieczyszczeń z obudowy lub rurki bańki po jej uszczelnieniu. Materiały getterowe dzieli się na dwa rodzaje: gettery parowe i gettery objętościowe. Gettery parowe są stosowane po uszczelnieniu urządzeń próżniowych. Działają one poprzez szybkie nagrzewanie lub natychmiastowe odparowywanie aktywnego metalu, tworząc cienką warstwę lub film na wybranych elementach w celu usunięcia gazu. Gettery objętościowe są natomiast często umieszczane wewnątrz bańki w postaci metalowych drutów, elementów konstrukcyjnych lub półluźnych osadów. Absorbują one gazy wraz ze wzrostem temperatury i zachowują skuteczność przez cały okres użytkowania bańki.
Do powszechnie stosowanych metali pochłaniających gaz należą bar, tantal, tytan, niob, cyrkon i ich stopy. Ponadto fosfor, niemetaliczny środek eliminujący gazy, skutecznie usuwa śladowe ilości tlenu i pary wodnej z gazu obojętnego wewnątrz żarówki, dlatego jest szeroko stosowany od dawna.
▣ Szkło i szkło kwarcowe
Szkło produkowane komercyjnie można podzielić na trzy główne kategorie: szkło sodowo-wapniowe, szkło ołowiowo-alkaliczne i szkło borokrzemianowe. Szkło sodowo-wapniowo-krzemianowe jest najczęściej stosowane w przemyśle oświetleniowym. Wybór rodzaju szkła zależy od wymagań temperaturowych, zachowania szczelności i parametrów elektrycznych.
Szkło ołowiowo-alkaliczno-krzemianowe jest wykorzystywane głównie do produkcji elementów wewnętrznych tradycyjnych żarówek i świetlówek. Do konwencjonalnych reflektorów i lamp wyładowczych dużej mocy o wyższych temperaturach pracy wymagane jest szkło borokrzemianowe. Szkło kwarcowe charakteryzuje się wysoką przejrzystością, doskonałą odpornością na szok termiczny i może pracować w wysokich temperaturach, sięgających nawet 900 stopni Celsjusza.
Szczelność jest kluczowym wskaźnikiem przy wyborze materiałów szklanych do lamp. Szkło musi charakteryzować się brakiem naprężeń w połączeniu z metalami, aby zapewnić szczelność i długotrwałą stabilność żarówki. Ponadto, rezystywność, stała dielektryczna i strata dielektryczna szkła muszą spełniać odpowiednie normy, aby spełnić wymagania dotyczące parametrów elektrycznych.
▣ Materiały ceramiczne
W warunkach wysokiej temperatury i ciśnienia szkło zawierające krzemionkę łatwo ulega korozji pod wpływem oparów metali alkalicznych, dlatego wymagane są materiały odporne na korozję chemiczną. Ceramika jest stosowana ze względu na odporność na wysokie temperatury i korozję, charakteryzując się wysoką wytrzymałością mechaniczną i stabilnością termiczną.
Półprzezroczyste polikrystaliczne rury z tlenku glinu (PCA) są kluczowym elementem w produkcji wysokoprężnych lamp sodowych (HPS). Pomimo grubości ścianki wynoszącej zaledwie 1 mm, osiągają one całkowitą transmisję światła widzialnego na poziomie ponad 90%. Zwykła ceramika, ze względu na dobrą wytrzymałość mechaniczną, odporność na szoki termiczne i doskonałą izolację elektryczną w całym zakresie temperatur pracy, jest często wykorzystywana do produkcji oprawek i trzonków lamp.
▣ Materiały do sterowania światłem
Odbłyśniki są kluczowymi elementami w kontroli światła i dzielą się na dwa rodzaje: odbicie regularne i odbicie lustrzane. Odbicie rozproszone jest również ważną metodą odbicia. Wybierając materiały do kontroli światła, należy kompleksowo uwzględnić różne czynniki, w tym właściwości optyczne materiału, wytrzymałość, udarność, odporność na ciepło i promieniowanie ultrafioletowe.
Folie odbijające podczerwień to kluczowy materiał do kontroli światła, który znacząco poprawia wydajność lamp żarowych poprzez odbijanie energii podczerwonej z powrotem do żarnika. Technologia wielowarstwowego nakładania tlenków jest również szeroko stosowana w produkcji folii odbijających podczerwień, nakładanych na powierzchnię obudów żarników lamp halogenowych metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej. Jednocześnie, technologia wielowarstwowych filtrów interferencyjnych jest również wykorzystywana do zmiany barwy światła. Dobór materiałów odblaskowych równoważy właściwości optyczne, mechaniczne i termiczne, zwiększając wydajność lampy.