Panoramica dei materiali di illuminazione di base
Lo sviluppo dell'illuminazione moderna è inscindibile dall'evoluzione e dall'innovazione dei materiali di base. Dai materiali tradizionali iniziali ai nuovi materiali ampiamente utilizzati oggi, l'applicazione scientifica dei materiali di illuminazione ha migliorato significativamente le prestazioni e la durata degli apparecchi di illuminazione. Questi materiali mostrano proprietà superiori a diverse temperature e condizioni operative, fungendo da motore cruciale per i progressi nella tecnologia dell'illuminazione.
▣ Classificazione dei materiali
▣ Riempitivi e materiali sigillanti
Nelle regioni a bassa temperatura convenzionale (<140 °C), sono ampiamente utilizzati materiali tradizionali come resine indaco, gomma neoprene, gomma espansa EPDM e schiuma poliuretanica stampata a iniezione. Tuttavia, per le regioni ad alta temperatura (fino a 200 °C), sono richieste resine siliconiche estruse, stampate o tagliate. Negli ultimi anni, i metodi di reazione stampati a iniezione sono diventati l'ultima innovazione, consentendo guarnizioni senza giunzioni e di alta qualità. Riempitivi tradizionali e nuovi vengono utilizzati in diverse regioni di temperatura per fornire connessioni meccaniche e guarnizioni.
Durante la vita utile della lampada, lo stucco per il tappo della lampada deve fornire un collegamento meccanico affidabile tra i diversi coefficienti di dilatazione termica e i diversi materiali della lampada. Il materiale utilizzato per fissare il tappo metallico della lampada al bulbo di vetro è in genere una miscela composta per circa il 90% da polvere di marmo e resine fenoliche, naturali e siliconiche. Per fissare il tappo in ceramica al corpo della lampada in silice fusa, è necessaria una pasta saldante con punto di fusione più elevato, il cui componente principale è una miscela di silice e leganti inorganici come il silicato di sodio.
▣ Gas I gas primari utilizzati nelle lampade, come componenti dell'aria, sono solitamente ottenuti tramite distillazione frazionata. Questi gas vengono utilizzati non solo per controllare vari processi fisici e chimici, ma anche per generare luce. Durante il funzionamento della lampada, l'ambiente ad alta temperatura aumenta significativamente la reattività chimica di molti materiali della lampada, causando potenzialmente gravi danni ai materiali strutturali della lampada. Per evitare ciò, la struttura della lampada deve essere protetta controllando l'ossidazione e la corrosione. Un metodo comune consiste nell'utilizzare gas inerti o non reattivi per mantenere l'ambiente di lavoro all'interno della lampada.
Processi fisici come l'evaporazione e lo sputtering riducono la durata di componenti critici come il filamento e gli elettrodi. Tuttavia, quando la lampada è riempita con gas inerte e la densità del gas è sufficientemente elevata, la nocività di questi processi si riduce significativamente. Mentre il kripton ad alta densità può essere utilizzato in alcune lampade a incandescenza per ridurre la conduzione del calore e sopprimere l'evaporazione del filamento di tungsteno, prolungando così la durata della lampada, l'argon viene tipicamente utilizzato come gas di riempimento nelle applicazioni pratiche.
Le molecole di azoto hanno la capacità di impedire la formazione di archi distruttivi tra componenti a diversi potenziali all'interno della lampada; pertanto, il gas di riempimento per le lampade è solitamente composto da azoto o da una miscela di azoto e gas inerti come argon e kripton. Nelle lampade a scarica di gas, gas monomolecolari come argon, neon e xeno vengono utilizzati come gas ausiliari per l'innesco della scarica. Inoltre, anche i gas agli alogenuri metallici svolgono un ruolo unico nelle sorgenti luminose a scarica di gas.
A causa delle temperature di esercizio estremamente elevate delle lampade, alcuni componenti critici al loro interno sono altamente sensibili a tracce di gas ossidanti e drogati con carbonio, tra cui ossigeno, monossido di carbonio, anidride carbonica, idrocarburi e vapore acqueo. Nella maggior parte delle lampade, il contenuto di queste impurità gassose nocive è solitamente rigorosamente controllato e può essere limitato a poche parti per milione del gas di riempimento totale.
▣ Materiali Getter
Durante il funzionamento della lampadina, componenti come il filamento e gli elettrodi raggiungono temperature estremamente elevate. Questi componenti sono altamente sensibili ai gas circostanti e reagiscono facilmente con ossigeno residuo, vapore acqueo, idrogeno e idrocarburi, compromettendo così le prestazioni della lampadina. Pertanto, è necessario adottare misure per eliminare o ridurre questi gas residui. I materiali getter rimuovono i gas residui dalla lampadina utilizzando materiali metallici o non metallici, mantenendone inalterate le prestazioni.
Un getter è un materiale specificamente progettato per rimuovere le impurità dal bulbo o dal tubo dopo la sigillatura. I materiali getter sono generalmente classificati in due tipologie: materiali getter a vaporizzazione e materiali getter volumetrici. I materiali getter a vaporizzazione vengono utilizzati dopo la sigillatura dei dispositivi sotto vuoto. Funzionano riscaldando rapidamente o vaporizzando istantaneamente un metallo attivo, che si presenta come un sottile deposito o pellicola su componenti selezionati per eliminare i gas. I materiali getter volumetrici, invece, vengono spesso posizionati all'interno del bulbo sotto forma di fili metallici, componenti strutturali o depositi semi-sciolti. Assorbono i gas quando la temperatura aumenta e rimangono efficaci per tutta la durata del bulbo.
I metalli getter comunemente utilizzati includono bario, tantalio, titanio, niobio, zirconio e le loro leghe. Inoltre, il fosforo, un agente non metallico che elimina i gas, rimuove efficacemente tracce di ossigeno e vapore acqueo dal gas inerte all'interno del bulbo, ed è quindi ampiamente utilizzato da molto tempo.
▣ Vetro e vetro al quarzo
Il vetro prodotto commercialmente può essere suddiviso in tre categorie principali: silicato sodico-calcico, silicato alcalino-piombo e borosilicato. Il vetro silicato sodico-calcico è il più comunemente utilizzato nel settore dell'illuminazione. La scelta del tipo di vetro dipende dai requisiti di temperatura, dal mantenimento dell'ermeticità e dalle prestazioni elettriche.
Il vetro silicato al piombo-alcalino viene utilizzato principalmente per la produzione di componenti interni per lampadine tradizionali e tubi fluorescenti. Per i faretti convenzionali e le lampade a scarica ad alta potenza con temperature di esercizio più elevate, è richiesto il vetro borosilicato. Il vetro al quarzo presenta un'elevata trasparenza, un'eccellente resistenza agli shock termici e può resistere ad ambienti ad alta temperatura, con temperature di esercizio fino a 900 °C.
L'ermeticità è un indicatore chiave nella scelta dei materiali in vetro per le lampade. Il vetro deve avere la proprietà di sigillare senza tensioni i metalli per garantire l'ermeticità e la stabilità a lungo termine della lampadina. Inoltre, la resistività, la costante dielettrica e la perdita dielettrica del vetro devono soddisfare standard soddisfacenti per soddisfare i requisiti di prestazione elettrica.
▣ Materiali ceramici
In ambienti ad alta temperatura e alta pressione, il vetro contenente silice viene facilmente corroso dai vapori di metalli alcalini, richiedendo quindi materiali in grado di resistere alla corrosione chimica. La ceramica viene utilizzata per la sua resistenza alle alte temperature e alla corrosione, grazie all'elevata resistenza meccanica e alla stabilità termica.
I tubi in allumina semitrasparente policristallina (PCA) sono un componente chiave nella produzione di lampade al sodio ad alta pressione (HPS). Nonostante uno spessore di parete di solo 1 mm, raggiungono una trasmittanza luminosa visibile totale superiore al 90%. Le ceramiche comuni, grazie alla loro buona resistenza meccanica, alla resistenza agli shock termici e all'eccellente isolamento elettrico nell'intervallo di temperature di esercizio, vengono spesso utilizzate per realizzare portalampade e basi per lampade.
▣ Materiali per il controllo della luce
I riflettori sono componenti chiave nel controllo della luce e si dividono in due tipologie: riflessione normale e riflessione speculare. Anche la riflessione diffusa è un importante metodo di riflessione. Nella scelta dei materiali per il controllo della luce, è necessario considerare attentamente diversi fattori, tra cui le proprietà ottiche del materiale, la resistenza, la tenacità, la resistenza al calore e la resistenza ai raggi ultravioletti.
Le pellicole riflettenti per infrarossi sono un materiale fondamentale per il controllo della luce, che migliora significativamente l'efficienza delle lampade a incandescenza riflettendo l'energia infrarossa verso il filamento. Anche la tecnologia di rivestimento con ossido multistrato è ampiamente utilizzata nella produzione di pellicole riflettenti per infrarossi, applicata sulla superficie degli alloggiamenti delle lampade alogene a filamento tramite deposizione chimica da vapore. Allo stesso tempo, la tecnologia delle pellicole con filtro interferenziale multistrato viene utilizzata anche per alterare il colore della luce. La selezione dei materiali riflettenti bilancia le proprietà ottiche, meccaniche e termiche per migliorare l'efficienza della lampada.