Oversigt over grundlæggende belysningsmaterialer
Udviklingen af moderne belysning er uadskillelig fra udviklingen og innovationen af basale belysningsmaterialer. Fra de oprindelige traditionelle materialer til de udbredte nye materialer i dag har den videnskabelige anvendelse af belysningsmaterialer forbedret armaturers ydeevne og levetid betydeligt. Disse materialer udviser overlegne egenskaber under forskellige temperaturer og driftsforhold og fungerer som en afgørende drivkraft for fremskridt inden for belysningsteknologi.
▣ Materialeklassificering
▣ Fyldstoffer og tætningsmaterialer
I konventionelle lavtemperaturområder (<140℃) anvendes traditionelle materialer som indigoharpikser, neoprengummi, EPDM-skumgummi og sprøjtestøbt polyurethanskum i vid udstrækning. Til højtemperaturområder (>200℃) kræves der dog ekstruderede, støbte eller skårne silikoneharpikser. I de senere år er sprøjtestøbte reaktionsmetoder blevet den seneste innovation, hvilket muliggør sømløse tætninger af høj kvalitet. Traditionelle og nye fyldstoffer anvendes i forskellige temperaturområder for at skabe mekaniske forbindelser og tætninger.
I løbet af lampens levetid skal lampefatningskit give en pålidelig mekanisk forbindelse mellem forskellige termiske udvidelseskoefficienter og forskellige lampematerialer. Materialet, der bruges til at fastgøre metallampefatningen til glaspæren, er typisk en blanding af cirka 90% marmorpulverfyldstof med phenol-, naturlige og silikoneharpikser. Til fastgørelse af den keramiske lampefatning til lampehuset af smeltet silica kræves en loddepasta med højere smeltepunkt, hvis hovedkomponent er en blanding af silica og uorganiske bindemidler såsom natriumsilikat.
▣ Gasser De primære gasser, der anvendes i lamper, som komponenter i luft, udvindes normalt ved fraktioneret destillation. Disse gasser bruges ikke kun til at kontrollere forskellige fysiske og kemiske processer, men også til at generere lys. Under lampens drift forstærker det høje temperaturmiljø den kemiske reaktivitet af mange lampematerialer betydeligt, hvilket potentielt kan føre til alvorlig skade på lampens strukturelle materialer. For at undgå dette skal lampestrukturen beskyttes ved at kontrollere oxidation og korrosion. En almindelig metode er at bruge inerte eller ikke-reaktive gasser til at opretholde arbejdsmiljøet inde i lampen.
Fysiske processer som fordampning og sputtering forkorter levetiden for kritiske komponenter såsom glødetråd og elektroder. Men når lampen er fyldt med inert gas, og gasdensiteten er tilstrækkelig høj, reduceres disse processers skadelighed betydeligt. Mens krypton med høj densitet kan bruges i nogle glødelamper til at reducere varmeledning og undertrykke fordampning af wolframfilamenter og dermed forlænge lampens levetid, bruges argon typisk som fyldgas i praktiske anvendelser.
Nitrogenmolekyler har evnen til at forhindre dannelsen af destruktive lysbuer mellem komponenter ved forskellige potentialer i lampen; derfor består fyldgassen til lamper normalt af nitrogen eller en blanding af nitrogen og de inerte gasser argon og krypton. I gasudladningslamper anvendes monomolekylære gasser som argon, neon og xenon som hjælpegasser til udladningsinitiering. Derudover spiller metalhalogenidgasser også en unik rolle i gasudladningslyskilder.
På grund af lampernes ekstremt høje driftstemperaturer er visse kritiske komponenter i lampen meget følsomme over for spormængder af oxiderende og kulstofdopede gasser, herunder ilt, kulilte, kuldioxid, kulbrinter og vanddamp. I de fleste lamper er indholdet af disse skadelige urene gasser normalt strengt kontrolleret og må kun være et par dele per million af den samlede fyldgas.
▣ Getter-materialer
Under pærens drift når komponenter som glødetråden og elektroderne ekstremt høje temperaturer. Disse komponenter er meget følsomme over for omgivende gasser og reagerer let med resterende ilt, vanddamp, brint og kulbrinter, hvilket påvirker pærens ydeevne. Derfor skal der træffes foranstaltninger for at eliminere eller reducere disse restgasser. Gettermaterialer fjerner restgasser fra pæren ved hjælp af metalliske eller ikke-metalliske materialer, hvilket opretholder pærens ydeevne.
En getter er et materiale, der er specielt designet til at fjerne urenheder fra pæreskallen eller -røret efter forsegling. Gettermaterialer klassificeres generelt i to typer: fordampningsgettermaterialer og volumetriske gettermaterialer. Fordampningsgettermaterialer bruges efter vakuumanordninger er forseglet. De fungerer ved hurtigt at opvarme eller øjeblikkeligt fordampe et aktivt metal, der fremstår som en tynd aflejring eller film på udvalgte komponenter for at eliminere gas. Volumetriske gettermaterialer placeres derimod ofte inde i pæren i form af metaltråde, strukturelle komponenter eller halvt løse aflejringer. De absorberer gasser, når temperaturen stiger, og forbliver effektive i hele pærens levetid.
Almindeligt anvendte gettermetaller omfatter barium, tantal, titanium, niobium, zirconium og deres legeringer. Derudover fjerner fosfor, et ikke-metallisk gaseliminerende middel, effektivt spor af ilt og vanddamp fra den inerte gas inde i pæren og har derfor været meget anvendt i lang tid.
▣ Glas og kvartsglas
Kommercielt produceret glas kan opdeles i tre hovedkategorier: natrium-calciumsilikat, bly-alkalisilikat og borosilikat. Natrium-calciumsilikatglas er det mest almindeligt anvendte i belysningsindustrien. Valget af glastype afhænger af temperaturkrav, opretholdelse af lufttæthed og elektrisk ydeevne.
Bly-alkalisilikatglas bruges hovedsageligt til at fremstille interne komponenter til almindelige pærer og lysstofrør. Til konventionelle spotlights og højtydende udladningslamper med højere driftstemperaturer kræves borosilikatglas. Kvartsglas har høj transparens, fremragende termisk stødmodstand og kan modstå høje temperaturer med driftstemperaturer på op til 900 grader Celsius.
Lufttæthed er en nøgleindikator ved valg af glasmaterialer til lamper. Glasset skal kunne forsegles spændingsfrit med metaller for at sikre pærens lufttæthed og langsigtede stabilitet. Desuden skal glassets resistivitet, dielektriske konstant og dielektriske tab opfylde tilfredsstillende standarder for at opfylde kravene til elektrisk ydeevne.
▣ Keramiske materialer
Under høje temperaturer og højt tryk korroderes silicaholdigt glas let af alkalimetaldampe, hvilket kræver materialer, der kan modstå kemisk korrosion. Keramik anvendes på grund af høj temperatur- og korrosionsbestandighed og har høj mekanisk styrke og termisk stabilitet.
Polykrystallinske halvtransparente aluminiumoxidrør (PCA) er en nøglekomponent i fremstillingen af højtryksnatriumlamper (HPS). Trods en vægtykkelse på kun 1 mm opnår de en samlet synlig lysgennemstrømning på over 90 %. Almindelig keramik bruges ofte til at fremstille lampeholdere og lampebaser på grund af deres gode mekaniske styrke, termiske stødmodstand og fremragende elektriske isolering over driftstemperaturområdet.
▣ Materialer til lysstyring
Reflektoren er nøglekomponenter i lysstyring, og de er opdelt i to typer: regelmæssig refleksion og spejlende refleksion. Diffus refleksion er også en vigtig reflektionsmetode. Når vi vælger lysstyringsmaterialer, skal vi overveje forskellige faktorer grundigt, herunder materialets optiske egenskaber, styrke, sejhed, varmebestandighed og modstand mod ultraviolet stråling.
Infrarøde reflekterende film er et vigtigt lysstyringsmateriale, der forbedrer effektiviteten af glødelamper betydeligt ved at reflektere infrarød energi tilbage til glødetråden. Flerlagsoxid-overlejringsteknologi anvendes også i vid udstrækning i fremstillingen af infrarøde reflekterende film, der påføres overfladen af halogenglødelampehuse via kemisk dampaflejring. Samtidig bruges flerlagsinterferensfilterfilmteknologi også til at ændre lysets farve. Valget af reflekterende materialer balancerer optiske, mekaniske og termiske egenskaber for at forbedre lampens effektivitet.