Обзор основных осветительных материалов
Развитие современного освещения неотделимо от эволюции и инноваций в области базовых светотехнических материалов. От традиционных материалов до широко используемых сегодня новых материалов, научное применение светотехнических материалов значительно улучшило характеристики и срок службы светильников. Эти материалы демонстрируют превосходные свойства при различных температурах и условиях эксплуатации, являясь движущей силой прогресса в области светотехники.
▣ Классификация материалов
▣ Наполнители и герметизирующие материалы
В условиях низких температур (<140°C) широко используются традиционные материалы, такие как индиго, неопреновый каучук, вспененный этиленпропиленовый каучук (EPDM) и литой полиуретановый пеноматериал. Однако для высокотемпературных условий (ниже 200°C) требуются экструдированные, формованные или вырезанные силиконовые смолы. В последние годы методы литья под давлением стали новейшей инновацией, позволяющей создавать бесшовные высококачественные уплотнители. Для обеспечения механических соединений и герметизации в различных температурных условиях используются как традиционные, так и новые наполнители.
В течение срока службы лампы замазка для цоколя должна обеспечивать надёжное механическое соединение между различными коэффициентами теплового расширения и различными материалами лампы. Материал, используемый для крепления металлического цоколя к стеклянной колбе, обычно представляет собой смесь примерно 90% мраморного порошка с фенольными, натуральными и силиконовыми смолами. Для крепления керамического цоколя к корпусу лампы из плавленого кварца требуется паяльная паста с более высокой температурой плавления, основным компонентом которой является смесь диоксида кремния и неорганических связующих веществ, таких как силикат натрия.
▣ Газы. Основные газы, используемые в лампах, как компоненты воздуха, обычно получают методом фракционной перегонки. Эти газы используются не только для управления различными физическими и химическими процессами, но и для генерации света. Во время работы лампы высокотемпературная среда значительно повышает химическую активность многих материалов, из которых она изготовлена, что может привести к серьёзным повреждениям её конструкции. Чтобы избежать этого, необходимо защитить конструкцию лампы, контролируя окисление и коррозию. Распространенным методом является использование инертных или нереакционноспособных газов для поддержания рабочей среды внутри лампы.
Физические процессы, такие как испарение и распыление, сокращают срок службы критически важных компонентов, таких как нить накала и электроды. Однако при заполнении лампы инертным газом достаточно высокой плотности вредное воздействие этих процессов значительно снижается. В некоторых лампах накаливания для снижения теплопроводности и предотвращения испарения вольфрамовой нити накала, продлевая срок службы лампы, может использоваться высокоплотный криптон, однако на практике в качестве наполнителя обычно используется аргон.
Молекулы азота обладают способностью предотвращать образование разрушительных дуг между компонентами лампы, находящимися под разными потенциалами. Поэтому в качестве наполнителя ламп обычно используется азот или смесь азота с инертными газами: аргоном и криптоном. В газоразрядных лампах в качестве вспомогательных газов для зажигания разряда используются мономолекулярные газы, такие как аргон, неон и ксенон. Кроме того, металлогалогенидные газы также играют уникальную роль в газоразрядных источниках света.
Из-за чрезвычайно высоких рабочих температур ламп некоторые критически важные компоненты лампы крайне чувствительны к следовым количествам окисляющих и углеродсодержащих газов, включая кислород, оксид углерода, диоксид углерода, углеводороды и водяной пар. В большинстве ламп содержание этих вредных примесей обычно строго контролируется и допускается лишь в пределах нескольких частей на миллион от общего содержания газа-наполнителя.
▣ Материалы-получатели
Во время работы лампы такие компоненты, как нить накала и электроды, нагреваются до чрезвычайно высоких температур. Эти компоненты очень чувствительны к окружающим газам и легко реагируют с остаточным кислородом, водяным паром, водородом и углеводородами, что влияет на её рабочие характеристики. Поэтому необходимо принимать меры для устранения или снижения концентрации этих остаточных газов. Геттерные материалы удаляют остаточные газы из лампы с помощью металлических или неметаллических материалов, сохраняя её рабочие характеристики.
Геттер – это материал, специально разработанный для удаления загрязнений из оболочки или трубки лампы после герметизации. Геттерные материалы обычно подразделяются на два типа: испаряющиеся и объёмные. Испаряющиеся материалы используются после герметизации вакуумных устройств. Они работают за счёт быстрого нагрева или мгновенного испарения активного металла, образуя тонкий слой или плёнку на выбранных компонентах для удаления газа. Объёмные же геттерные материалы, напротив, часто размещаются внутри лампы в виде металлической проволоки, структурных компонентов или полусыпучих покрытий. Они поглощают газы при повышении температуры и сохраняют эффективность на протяжении всего срока службы лампы.
В качестве газопоглотителей обычно используются барий, тантал, титан, ниобий, цирконий и их сплавы. Кроме того, фосфор, неметаллический газоотделитель, эффективно удаляет следы кислорода и водяного пара из инертного газа внутри колбы и поэтому широко применяется уже давно.
▣ Стекло и кварцевое стекло
Производимое в промышленности стекло можно разделить на три основные категории: натрий-кальциевое силикатное, свинцово-щелочное силикатное и боросиликатное. Натрий-кальциевое силикатное стекло наиболее часто используется в светотехнической промышленности. Выбор типа стекла зависит от требований к температуре, герметичности и электротехническим характеристикам.
Свинцово-щелочное силикатное стекло используется в основном для изготовления внутренних компонентов обычных лампочек и люминесцентных трубок. Для обычных точечных светильников и мощных разрядных ламп с более высокими рабочими температурами требуется боросиликатное стекло. Кварцевое стекло обладает высокой прозрачностью, превосходной стойкостью к тепловому удару и способно выдерживать высокие температуры (до 900 градусов Цельсия).
Герметичность — ключевой показатель при выборе стекла для ламп. Стекло должно обеспечивать герметичность и долговременную стабильность колбы, обеспечивая герметичность и долговечность. Кроме того, удельное сопротивление, диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери стекла должны соответствовать требованиям к электрическим характеристикам.
▣ Керамические материалы
В условиях высоких температур и давления кварцевое стекло легко подвергается коррозии под воздействием паров щелочных металлов, поэтому требуются материалы, устойчивые к химической коррозии. Керамика используется для обеспечения высокой термостойкости и коррозионной стойкости, обладая высокой механической прочностью и термической стабильностью.
Трубки из поликристаллического полупрозрачного оксида алюминия (PCA) являются ключевым компонентом в производстве натриевых ламп высокого давления (ГЭС). Несмотря на толщину стенки всего 1 мм, они обеспечивают общее светопропускание более 90%. Обычная керамика, благодаря своей высокой механической прочности, стойкости к тепловым ударам и превосходной электроизоляции в рабочем диапазоне температур, часто используется для изготовления патронов и цоколей ламп.
▣ Материалы для управления светом
Отражатели являются ключевыми компонентами светорегулирования и делятся на два типа: с обычным отражением и зеркальным отражением. Диффузное отражение также является важным методом отражения. При выборе светорегулирующих материалов необходимо учитывать различные факторы, включая оптические свойства материала, прочность, ударопрочность, термостойкость и устойчивость к ультрафиолетовому излучению.
Инфракрасные отражающие плёнки являются ключевым светорегулирующим материалом, значительно повышающим эффективность ламп накаливания за счёт отражения инфракрасного излучения обратно к нити накаливания. Технология многослойного оксидного покрытия также широко используется при производстве инфракрасных отражающих плёнок, наносимых на поверхность корпусов галогенных ламп накаливания методом химического осаждения из паровой фазы. Кроме того, технология многослойных интерференционных фильтрующих плёнок используется для изменения цвета света. Выбор отражающих материалов позволяет сбалансировать оптические, механические и термические свойства для повышения эффективности ламп.