Επισκόπηση βασικών υλικών φωτισμού
Η ανάπτυξη του σύγχρονου φωτισμού είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την εξέλιξη και την καινοτομία των βασικών υλικών φωτισμού. Από τα αρχικά παραδοσιακά υλικά έως τα ευρέως χρησιμοποιούμενα νέα υλικά σήμερα, η επιστημονική εφαρμογή των υλικών φωτισμού έχει βελτιώσει σημαντικά την απόδοση και τη διάρκεια ζωής των φωτιστικών. Αυτά τα υλικά παρουσιάζουν ανώτερες ιδιότητες υπό διαφορετικές θερμοκρασίες και συνθήκες λειτουργίας, χρησιμεύοντας ως κρίσιμη κινητήρια δύναμη για τις εξελίξεις στην τεχνολογία φωτισμού.
▣ Ταξινόμηση Υλικών
▣ Υλικά πλήρωσης και στεγανοποίησης
Σε συμβατικές περιοχές χαμηλής θερμοκρασίας (<140℃), χρησιμοποιούνται ευρέως παραδοσιακά υλικά όπως ρητίνες ινδιγκό, νεοπρένιο, αφρώδες ελαστικό EPDM και αφρός πολυουρεθάνης με χύτευση με έγχυση. Ωστόσο, για περιοχές υψηλής θερμοκρασίας (200℃), απαιτούνται ρητίνες σιλικόνης που έχουν υποστεί διέλαση, χύτευση ή κοπή. Τα τελευταία χρόνια, οι μέθοδοι αντίδρασης με χύτευση με έγχυση έχουν γίνει η τελευταία καινοτομία, επιτρέποντας στεγανοποιήσεις υψηλής ποιότητας χωρίς ραφές. Παραδοσιακά και νέα υλικά πλήρωσης χρησιμοποιούνται σε διαφορετικές περιοχές θερμοκρασίας για την παροχή μηχανικών συνδέσεων και στεγανοποιήσεων.
Κατά τη διάρκεια ζωής της λάμπας, ο στόκος του καπακιού της λάμπας πρέπει να παρέχει μια αξιόπιστη μηχανική σύνδεση μεταξύ διαφόρων συντελεστών θερμικής διαστολής και διαφορετικών υλικών της λάμπας. Το υλικό που χρησιμοποιείται για τη στερέωση του μεταλλικού καπακιού της λάμπας στη γυάλινη λάμπα είναι συνήθως ένα μείγμα περίπου 90% πληρωτικού υλικού σε σκόνη μαρμάρου με φαινολικές, φυσικές και σιλικονούχες ρητίνες. Για τη στερέωση του κεραμικού καπακιού της λάμπας στο σώμα της λάμπας από τηγμένο πυρίτιο, απαιτείται μια πάστα συγκόλλησης υψηλότερου σημείου τήξης, το κύριο συστατικό της οποίας είναι ένα μείγμα πυριτίας και ανόργανων συνδετικών υλικών όπως το πυριτικό νάτριο.
▣ Αέρια Τα κύρια αέρια που χρησιμοποιούνται στους λαμπτήρες, ως συστατικά του αέρα, λαμβάνονται συνήθως μέσω κλασματικής απόσταξης. Αυτά τα αέρια χρησιμοποιούνται όχι μόνο για τον έλεγχο διαφόρων φυσικών και χημικών διεργασιών, αλλά και για την παραγωγή φωτός. Κατά τη λειτουργία του λαμπτήρα, το περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας ενισχύει σημαντικά τη χημική αντιδραστικότητα πολλών υλικών του λαμπτήρα, οδηγώντας ενδεχομένως σε σοβαρές ζημιές στα δομικά υλικά του. Για να αποφευχθεί αυτό, η δομή του λαμπτήρα πρέπει να προστατεύεται με έλεγχο της οξείδωσης και της διάβρωσης. Μια συνηθισμένη μέθοδος είναι η χρήση αδρανών ή μη αντιδραστικών αερίων για τη διατήρηση του περιβάλλοντος εργασίας μέσα στον λαμπτήρα.
Οι φυσικές διεργασίες όπως η εξάτμιση και ο ψεκασμός μειώνουν τη διάρκεια ζωής κρίσιμων εξαρτημάτων, όπως το νήμα και τα ηλεκτρόδια. Ωστόσο, όταν η λάμπα είναι γεμάτη με αδρανές αέριο και η πυκνότητα του αερίου είναι αρκετά υψηλή, η βλαπτικότητα αυτών των διεργασιών μειώνεται σημαντικά. Ενώ το κρυπτό υψηλής πυκνότητας μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ορισμένους λαμπτήρες πυρακτώσεως για τη μείωση της αγωγιμότητας θερμότητας και την καταστολή της εξάτμισης του νήματος βολφραμίου, παρατείνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής της λάμπας, το αργό χρησιμοποιείται συνήθως ως αέριο πλήρωσης σε πρακτικές εφαρμογές.
Τα μόρια αζώτου έχουν την ικανότητα να αποτρέπουν τον σχηματισμό καταστροφικών τόξων μεταξύ των εξαρτημάτων σε διαφορετικά δυναμικά μέσα στη λάμπα. Επομένως, το αέριο πλήρωσης για τους λαμπτήρες αποτελείται συνήθως από άζωτο ή ένα μείγμα αζώτου και των αδρανών αερίων αργού και κρυπτού. Στους λαμπτήρες εκκένωσης αερίου, μονομοριακά αέρια όπως το αργό, το νέον και το ξένον χρησιμοποιούνται ως βοηθητικά αέρια για την έναρξη της εκκένωσης. Επιπλέον, τα αέρια αλογονιδίων μετάλλων παίζουν επίσης έναν μοναδικό ρόλο στις πηγές φωτός εκκένωσης αερίου.
Λόγω των εξαιρετικά υψηλών θερμοκρασιών λειτουργίας των λαμπτήρων, ορισμένα κρίσιμα εξαρτήματα μέσα στη λάμπα είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα σε ίχνη οξειδωτικών αερίων και αερίων με προσμίξεις άνθρακα, όπως οξυγόνο, μονοξείδιο του άνθρακα, διοξείδιο του άνθρακα, υδρογονάνθρακες και υδρατμοί. Στους περισσότερους λαμπτήρες, η περιεκτικότητα σε αυτά τα επιβλαβή αέρια πρόσμειξης ελέγχεται συνήθως αυστηρά, επιτρεπόμενη να είναι μόνο μερικά μέρη ανά εκατομμύριο του συνολικού αερίου πλήρωσης.
▣ Υλικά συλλογής
Κατά τη λειτουργία της λάμπας, εξαρτήματα όπως το νήμα και τα ηλεκτρόδια φτάνουν σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες. Αυτά τα εξαρτήματα είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα στα περιβάλλοντα αέρια και αντιδρούν εύκολα με το υπολειμματικό οξυγόνο, τους υδρατμούς, το υδρογόνο και τους υδρογονάνθρακες, επηρεάζοντας έτσι την απόδοση της λάμπας. Επομένως, πρέπει να ληφθούν μέτρα για την εξάλειψη ή τη μείωση αυτών των υπολειμματικών αερίων. Τα υλικά απορρόφησης αφαιρούν τα υπολειμματικά αέρια από τη λάμπα χρησιμοποιώντας μεταλλικά ή μη μεταλλικά υλικά, διατηρώντας την απόδοση της λάμπας.
Ένας συλλέκτης είναι ένα υλικό ειδικά σχεδιασμένο για την αφαίρεση ακαθαρσιών από το κέλυφος ή τον σωλήνα του βολβού μετά τη σφράγιση. Τα υλικά συλλέκτη ταξινομούνται γενικά σε δύο τύπους: υλικά συλλέκτη εξάτμισης και ογκομετρικά υλικά συλλέκτη. Τα υλικά συλλέκτη εξάτμισης χρησιμοποιούνται μετά τη σφράγιση των συσκευών κενού. Λειτουργούν θερμαίνοντας γρήγορα ή εξατμίζοντας ακαριαία ένα ενεργό μέταλλο, το οποίο εμφανίζεται ως μια λεπτή εναπόθεση ή μεμβράνη σε επιλεγμένα εξαρτήματα για την εξάλειψη αερίων. Τα ογκομετρικά υλικά συλλέκτη, από την άλλη πλευρά, τοποθετούνται συχνά μέσα στον βολβό με τη μορφή μεταλλικών συρμάτων, δομικών εξαρτημάτων ή ημι-χαλαρών εναποθέσεων. Απορροφούν αέρια όταν αυξάνεται η θερμοκρασία και παραμένουν αποτελεσματικά καθ' όλη τη διάρκεια ζωής του βολβού.
Τα συνήθως χρησιμοποιούμενα μέταλλα-απορροφητές περιλαμβάνουν το βάριο, το ταντάλιο, το τιτάνιο, το νιόβιο, το ζιρκόνιο και τα κράματά τους. Επιπλέον, ο φώσφορος, ένας μη μεταλλικός παράγοντας απομάκρυνσης αερίων, απομακρύνει αποτελεσματικά ίχνη οξυγόνου και υδρατμών από το αδρανές αέριο μέσα στον βολβό και ως εκ τούτου έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως για μεγάλο χρονικό διάστημα.
▣ Γυαλί και χαλαζιακό γυαλί
Το εμπορικά παραγόμενο γυαλί μπορεί να χωριστεί σε τρεις κύριες κατηγορίες: πυριτικό νάτριο-ασβέστιο, πυριτικό μόλυβδο-αλκάλιο και βοριοπυριτικό. Το γυαλί πυριτικού νατρίου-ασβεστίου είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο στη βιομηχανία φωτισμού. Η επιλογή του τύπου γυαλιού εξαρτάται από τις απαιτήσεις θερμοκρασίας, τη διατήρηση της αεροστεγανότητας και την ηλεκτρική απόδοση.
Το γυαλί μολύβδου-αλκαλικού πυριτικού χρησιμοποιείται κυρίως για την κατασκευή εσωτερικών εξαρτημάτων για συνηθισμένους λαμπτήρες πυρακτώσεως και λαμπτήρες φθορισμού. Για συμβατικούς προβολείς και λαμπτήρες εκκένωσης υψηλής ισχύος με υψηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας, απαιτείται βοριοπυριτικό γυαλί. Το γυαλί χαλαζία έχει υψηλή διαφάνεια, εξαιρετική αντοχή σε θερμικά σοκ και μπορεί να αντέξει σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας, με θερμοκρασίες λειτουργίας έως και 900 βαθμούς Κελσίου.
Η αεροστεγανότητα είναι ένας βασικός δείκτης κατά την επιλογή υλικών από γυαλί για λαμπτήρες. Το γυαλί πρέπει να έχει την ιδιότητα να στεγανοποιείται χωρίς τάσεις με μέταλλα για να διασφαλίζεται η αεροστεγανότητα και η μακροπρόθεσμη σταθερότητα του λαμπτήρα. Επιπλέον, η ειδική αντίσταση, η διηλεκτρική σταθερά και οι διηλεκτρικές απώλειες του γυαλιού πρέπει να πληρούν ικανοποιητικά πρότυπα για την ικανοποίηση των απαιτήσεων ηλεκτρικής απόδοσης.
▣ Κεραμικά Υλικά
Υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης, το γυαλί που περιέχει πυρίτιο διαβρώνεται εύκολα από ατμούς αλκαλιμετάλλων, με αποτέλεσμα να απαιτούνται υλικά που μπορούν να αντέξουν στη χημική διάβρωση. Τα κεραμικά χρησιμοποιούνται για αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και διάβρωση, καθώς διαθέτουν υψηλή μηχανική αντοχή και θερμική σταθερότητα.
Οι πολυκρυσταλλικοί ημιδιαφανείς σωλήνες αλουμίνας (ΣΕΣΣ) αποτελούν βασικό συστατικό στην κατασκευή λαμπτήρων νατρίου υψηλής πίεσης (ΥΨ). Παρά το πάχος τοιχώματος μόλις 1 χιλ., επιτυγχάνουν συνολική διαπερατότητα ορατού φωτός άνω του 90%. Τα συνηθισμένα κεραμικά, λόγω της καλής μηχανικής αντοχής τους, της αντοχής σε θερμικά σοκ και της εξαιρετικής ηλεκτρικής μόνωσης σε όλο το εύρος θερμοκρασιών λειτουργίας, χρησιμοποιούνται συχνά για την κατασκευή βάσεων και υποδοχών λαμπτήρων.
▣ Υλικά για τον έλεγχο του φωτός
Οι ανακλαστήρες είναι βασικά εξαρτήματα στον έλεγχο του φωτός και χωρίζονται σε δύο τύπους: κανονική ανάκλαση και κατοπτρική ανάκλαση. Η διάχυτη ανάκλαση είναι επίσης μια σημαντική μέθοδος ανάκλασης. Κατά την επιλογή υλικών ελέγχου του φωτός, πρέπει να λάβουμε υπόψη διεξοδικά διάφορους παράγοντες, όπως οι οπτικές ιδιότητες του υλικού, η αντοχή, η σκληρότητα, η αντοχή στη θερμότητα και η αντίσταση στην υπεριώδη ακτινοβολία.
Οι ανακλαστικές μεμβράνες υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι ένα βασικό υλικό ελέγχου του φωτός που βελτιώνει σημαντικά την απόδοση των λαμπτήρων πυρακτώσεως αντανακλώντας την υπέρυθρη ενέργεια πίσω στο νήμα. Η τεχνολογία επικάλυψης πολυστρωματικού οξειδίου χρησιμοποιείται επίσης ευρέως στην κατασκευή ανακλαστικών μεμβρανών υπέρυθρης ακτινοβολίας, οι οποίες εφαρμόζονται στην επιφάνεια των περιβλημάτων λαμπτήρων αλογόνου μέσω χημικής εναπόθεσης ατμών. Ταυτόχρονα, η τεχνολογία πολυστρωματικού φιλμ παρεμβολής χρησιμοποιείται επίσης για την αλλαγή του χρώματος του φωτός. Η επιλογή ανακλαστικών υλικών εξισορροπεί τις οπτικές, μηχανικές και θερμικές ιδιότητες για την ενίσχυση της απόδοσης του λαμπτήρα.