Преглед на основните осветителни материали
Развитието на съвременното осветление е неразделна част от еволюцията и иновациите на основните осветителни материали. От първоначалните традиционни материали до широко използваните нови материали днес, научното приложение на осветителните материали значително е подобрило производителността и живота на осветителните тела. Тези материали показват превъзходни свойства при различни температури и работни условия, служейки като ключова движеща сила за напредъка в осветителните технологии.
▣ Класификация на материалите
▣ Пълнители и уплътнителни материали
В конвенционалните нискотемпературни региони (<140℃) широко се използват традиционни материали като индигови смоли, неопренов каучук, EPDM пяна и шприцвана полиуретанова пяна. За високотемпературни региони (≈200℃) обаче са необходими екструдирани, формовани или нарязани силиконови смоли. През последните години реакционните методи с шприцване се превърнаха в най-новата иновация, позволяваща безшевни, висококачествени уплътнения. Традиционни и нови пълнители се използват в различни температурни региони за осигуряване на механични връзки и уплътнения.
По време на жизнения цикъл на лампата, замазката за цокъла на лампата трябва да осигурява надеждна механична връзка между различни коефициенти на термично разширение и различни материали на лампата. Материалът, използван за закрепване на металния цокъл на лампата към стъклената колба, обикновено е смес от приблизително 90% мраморен прахообразен пълнител с фенолни, естествени и силиконови смоли. За закрепване на керамичния цокъл на лампата към корпуса на лампата от разтопен силициев диоксид е необходима спояваща паста с по-висока точка на топене, като основният ѝ компонент е смес от силициев диоксид и неорганични свързващи вещества, като натриев силикат.
▣ Газове Основните газове, използвани в лампите, като компоненти на въздуха, обикновено се получават чрез фракционна дестилация. Тези газове се използват не само за контрол на различни физични и химични процеси, но и за генериране на светлина. По време на работа на лампата, високотемпературната среда значително повишава химическата реактивност на много материали на лампата, което потенциално води до сериозни повреди на структурните материали на лампата. За да се избегне това, конструкцията на лампата трябва да бъде защитена чрез контролиране на окисляването и корозията. Често срещан метод е използването на инертни или нереактивни газове за поддържане на работната среда вътре в лампата.
Физически процеси като изпаряване и разпрашване скъсяват живота на критични компоненти, като например нишката на жичката и електродите. Когато обаче лампата е запълнена с инертен газ и плътността на газа е достатъчно висока, вредността на тези процеси е значително намалена. Докато криптонът с висока плътност може да се използва в някои лампи с нажежаема жичка, за да се намали топлопроводимостта и да се потисне изпарението на волфрамовата нишка, като по този начин се удължи животът на лампата, аргонът обикновено се използва като пълнителен газ в практически приложения.
Азотните молекули имат способността да предотвратяват образуването на разрушителни дъги между компоненти с различни потенциали в лампата; следователно, пълнителният газ за лампите обикновено се състои от азот или смес от азот и инертните газове аргон и криптон. В газоразрядните лампи мономолекулни газове като аргон, неон и ксенон се използват като спомагателни газове за иницииране на разряда. Освен това, металните халогенидни газове също играят уникална роля в газоразрядните източници на светлина.
Поради изключително високите работни температури на лампите, някои критични компоненти в лампата са силно чувствителни към следи от окислителни и въглеродно-дотирани газове, включително кислород, въглероден оксид, въглероден диоксид, въглеводороди и водни пари. В повечето лампи съдържанието на тези вредни примесни газове обикновено е строго контролирано, като е позволено да бъде само няколко милионни части от общия пълнителен газ.
▣ Получаващи материали
По време на работа на крушката, компоненти като нишката на жичката и електродите достигат изключително високи температури. Тези компоненти са силно чувствителни към околните газове и лесно реагират с остатъчен кислород, водни пари, водород и въглеводороди, като по този начин влияят на работата на крушката. Следователно, трябва да се вземат мерки за елиминиране или намаляване на тези остатъчни газове. Гетерните материали отстраняват остатъчните газове от крушката, използвайки метални или неметални материали, поддържайки работата на крушката.
Гетерът е материал, специално проектиран за отстраняване на примеси от корпуса или тръбата на колбата след запечатване. Гетерните материали обикновено се класифицират в два вида: изпарителни гетерни материали и обемни гетерни материали. Изпарителните гетерни материали се използват след запечатване на вакуумни устройства. Те работят чрез бързо нагряване или мигновено изпаряване на активен метал, появяващ се като тънък слой или филм върху избрани компоненти, за да се елиминира газът. Обемните гетерни материали, от друга страна, често се поставят вътре в колбата под формата на метални жици, структурни компоненти или полу-рохкави отлагания. Те абсорбират газове, когато температурата се повиши, и остават ефективни през целия живот на колбата.
Често използваните гетерни метали включват барий, тантал, титан, ниобий, цирконий и техните сплави. Освен това, фосфорът, неметален агент за отстраняване на газове, ефективно премахва следи от кислород и водни пари от инертния газ вътре в колбата и затова се използва широко от дълго време.
▣ Стъкло и кварцово стъкло
Произвежданото в търговската мрежа стъкло може да се раздели на три основни категории: натриево-калциев силикат, оловно-алкален силикат и боросиликатно. Натриево-калциевото силикатно стъкло е най-често използваното в осветителната индустрия. Изборът на вид стъкло зависи от температурните изисквания, поддържането на херметичност и електрическите характеристики.
Оловно-алкалното силикатно стъкло се използва главно за производството на вътрешни компоненти за обикновени електрически крушки и флуоресцентни тръби. За конвенционални прожектори и мощни газоразрядни лампи с по-високи работни температури е необходимо боросиликатно стъкло. Кварцовото стъкло има висока прозрачност, отлична устойчивост на термичен удар и може да издържи на високи температури, с работни температури до 900 градуса по Целзий.
Херметичността е ключов показател при избора на стъклени материали за лампи. Стъклото трябва да има свойството да се уплътнява без напрежение с метали, за да се гарантира херметичността и дългосрочната стабилност на крушката. Освен това, съпротивлението, диелектричната константа и диелектричните загуби на стъклото трябва да отговарят на задоволителни стандарти, за да се удовлетворят изискванията за електрически характеристики.
▣ Керамични материали
В среда с висока температура и високо налягане, стъклото, съдържащо силициев диоксид, лесно корозира от пари на алкални метали, поради което са необходими материали, които могат да издържат на химическа корозия. Керамиката се използва заради устойчивостта си на високи температури и корозия, притежавайки висока механична якост и термична стабилност.
Поликристалните полупрозрачни алуминиеви (СПС) тръби са ключов компонент в производството на натриеви лампи с високо налягане (ХПС). Въпреки дебелината на стената от само 1 мм, те постигат обща пропускливост на видимата светлина над 90%. Обикновената керамика, поради добрата си механична якост, устойчивост на термичен удар и отлична електрическа изолация в работния температурен диапазон, често се използва за направата на фасунги и цокъли за лампи.
▣ Материали за контрол на светлината
Рефлекторите са ключови компоненти в контрола на светлината и се разделят на два вида: редовно отражение и огледално отражение. Дифузното отражение също е важен метод за отражение. При избора на материали за контрол на светлината трябва да се вземат предвид различни фактори, включително оптичните свойства на материала, здравината, издръжливостта, устойчивостта на топлина и устойчивостта на ултравиолетово лъчение.
Инфрачервените отразяващи филми са ключов материал за контрол на светлината, който значително подобрява ефективността на лампите с нажежаема жичка, като отразява инфрачервената енергия обратно към жичката. Технологията за многослойно оксидно наслагване също се използва широко в производството на инфрачервени отразяващи филми, нанасяни върху повърхността на корпусите на халогенни лампи с нажежаема жичка чрез химическо отлагане на пари. Едновременно с това се използва и технология за многослойно интерферентно филтриращо фолио, за да се промени цвета на светлината. Изборът на отразяващи материали балансира оптичните, механичните и термичните свойства, за да се подобри ефективността на лампата.