Descripción general de los materiales básicos de iluminación
El desarrollo de la iluminación moderna es inseparable de la evolución e innovación de los materiales básicos de iluminación. Desde los materiales tradicionales iniciales hasta los nuevos materiales ampliamente utilizados en la actualidad, la aplicación científica de los materiales de iluminación ha mejorado significativamente el rendimiento y la vida útil de las luminarias. Estos materiales presentan propiedades superiores en diferentes temperaturas y condiciones de funcionamiento, lo que constituye un factor clave para los avances en la tecnología de la iluminación.
▣ Clasificación de materiales
▣ Materiales de relleno y sellado
En regiones convencionales de baja temperatura (<140 °C), se utilizan ampliamente materiales tradicionales como resinas índigo, caucho de neopreno, gomaespuma EPDM y espuma de poliuretano moldeada por inyección. Sin embargo, para regiones de alta temperatura (hasta 200 °C), se requieren resinas de silicona extruidas, moldeadas o cortadas. En los últimos años, los métodos de reacción por moldeo por inyección se han convertido en la última innovación, permitiendo sellos sin costuras y de alta calidad. Se utilizan rellenos tradicionales y nuevos en diferentes regiones de temperatura para proporcionar conexiones y sellos mecánicos.
Durante la vida útil de la lámpara, la masilla para casquillos debe proporcionar una conexión mecánica fiable entre los diversos coeficientes de expansión térmica y los diferentes materiales de la lámpara. El material utilizado para fijar el casquillo metálico a la bombilla de vidrio suele ser una mezcla de aproximadamente un 90 % de relleno de polvo de mármol con resinas fenólicas, naturales y de silicona. Para fijar el casquillo cerámico al cuerpo de la lámpara de sílice fundida, se requiere una pasta de soldadura de alto punto de fusión, cuyo componente principal es una mezcla de sílice y aglutinantes inorgánicos como el silicato de sodio.
▣ Gases. Los gases primarios utilizados en las lámparas, como componentes del aire, suelen obtenerse mediante destilación fraccionada. Estos gases se utilizan no solo para controlar diversos procesos físicos y químicos, sino también para generar luz. Durante el funcionamiento de la lámpara, el ambiente de alta temperatura aumenta significativamente la reactividad química de muchos de sus materiales, lo que puede provocar graves daños en sus materiales estructurales. Para evitarlo, es necesario proteger la estructura de la lámpara controlando la oxidación y la corrosión. Un método común consiste en utilizar gases inertes o no reactivos para mantener el ambiente de trabajo dentro de la lámpara.
Procesos físicos como la evaporación y la pulverización catódica acortan la vida útil de componentes críticos como el filamento y los electrodos. Sin embargo, cuando la lámpara se llena con gas inerte y la densidad del gas es suficientemente alta, la nocividad de estos procesos se reduce significativamente. Si bien el criptón de alta densidad puede utilizarse en algunas lámparas incandescentes para reducir la conducción térmica y suprimir la evaporación del filamento de tungsteno, prolongando así la vida útil de la lámpara, el argón se utiliza habitualmente como gas de relleno en aplicaciones prácticas.
Las moléculas de nitrógeno tienen la capacidad de prevenir la formación de arcos destructivos entre componentes a diferentes potenciales dentro de la lámpara; por lo tanto, el gas de relleno de las lámparas suele estar compuesto de nitrógeno o una mezcla de nitrógeno y los gases inertes argón y criptón. En las lámparas de descarga de gas, se utilizan gases monomoleculares como el argón, el neón y el xenón como gases auxiliares para la iniciación de la descarga. Además, los gases de halogenuros metálicos también desempeñan un papel único en las fuentes de luz de descarga de gas.
Debido a las altísimas temperaturas de funcionamiento de las lámparas, ciertos componentes críticos son muy sensibles a trazas de gases oxidantes y dopados con carbono, como oxígeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrocarburos y vapor de agua. En la mayoría de las lámparas, el contenido de estos gases nocivos suele estar estrictamente controlado, limitándose a unas pocas partes por millón del gas de relleno total.
▣ Materiales de obtención
Durante el funcionamiento de la bombilla, componentes como el filamento y los electrodos alcanzan temperaturas extremadamente altas. Estos componentes son muy sensibles a los gases circundantes y reaccionan fácilmente con el oxígeno residual, el vapor de agua, el hidrógeno y los hidrocarburos, lo que afecta al rendimiento de la bombilla. Por lo tanto, se deben tomar medidas para eliminar o reducir estos gases residuales. Los materiales getter eliminan los gases residuales de la bombilla utilizando materiales metálicos o no metálicos, manteniendo así su rendimiento.
Un getter es un material diseñado específicamente para eliminar impurezas de la carcasa o el tubo del bulbo después del sellado. Los materiales getter se clasifican generalmente en dos tipos: materiales getter de vaporización y materiales getter volumétricos. Los materiales getter de vaporización se utilizan después del sellado de dispositivos de vacío. Funcionan calentando rápidamente o vaporizando instantáneamente un metal activo, que aparece como un depósito o película delgada sobre componentes seleccionados para eliminar el gas. Los materiales getter volumétricos, por otro lado, suelen colocarse dentro del bulbo en forma de alambres metálicos, componentes estructurales o depósitos semisueltos. Absorben gases cuando la temperatura aumenta y mantienen su eficacia durante toda la vida útil del bulbo.
Los metales getter más utilizados incluyen bario, tantalio, titanio, niobio, circonio y sus aleaciones. Además, el fósforo, un agente eliminador de gases no metálico, elimina eficazmente trazas de oxígeno y vapor de agua del gas inerte dentro del bulbo, por lo que se ha utilizado ampliamente durante mucho tiempo.
▣ Vidrio y Cuarzo
El vidrio producido comercialmente se puede dividir en tres categorías principales: silicato sódico-cálcico, silicato sódico-alcalino y borosilicato. El vidrio de silicato sódico-cálcico es el más utilizado en la industria de la iluminación. La elección del tipo de vidrio depende de los requisitos de temperatura, la hermeticidad y el rendimiento eléctrico.
El vidrio de silicato de plomo-álcali se utiliza principalmente para fabricar componentes internos de bombillas convencionales y tubos fluorescentes. Para focos convencionales y lámparas de descarga de alta potencia con temperaturas de funcionamiento más altas, se requiere vidrio de borosilicato. El vidrio de cuarzo presenta alta transparencia, excelente resistencia al choque térmico y puede soportar entornos de alta temperatura, con temperaturas de funcionamiento de hasta 900 °C.
La hermeticidad es un indicador clave al seleccionar materiales de vidrio para lámparas. El vidrio debe tener la propiedad de sellarse sin tensiones con los metales para garantizar la hermeticidad y la estabilidad a largo plazo de la bombilla. Además, la resistividad, la constante dieléctrica y la pérdida dieléctrica del vidrio deben cumplir con los estándares necesarios para satisfacer los requisitos de rendimiento eléctrico.
▣ Materiales cerámicos
En entornos de alta temperatura y alta presión, el vidrio con sílice se corroe fácilmente por los vapores de metales alcalinos, por lo que requiere materiales resistentes a la corrosión química. La cerámica se utiliza por su resistencia a altas temperaturas y a la corrosión, con alta resistencia mecánica y estabilidad térmica.
Los tubos de alúmina policristalina semitransparente (PCA) son un componente clave en la fabricación de lámparas de sodio de alta presión (HPS). A pesar de tener un espesor de pared de tan solo 1 mm, alcanzan una transmitancia total de luz visible superior al 90 %. La cerámica convencional, gracias a su buena resistencia mecánica, resistencia al choque térmico y excelente aislamiento eléctrico en el rango de temperaturas de funcionamiento, se utiliza a menudo para fabricar portalámparas y bases de lámparas.
▣ Materiales para el control de la luz
Los reflectores son componentes clave para el control de la luz y se dividen en dos tipos: reflexión regular y reflexión especular. La reflexión difusa también es un método de reflexión importante. Al seleccionar materiales para el control de la luz, debemos considerar exhaustivamente diversos factores, como las propiedades ópticas, la resistencia, la tenacidad, la resistencia térmica y la resistencia a la radiación ultravioleta del material.
Las películas reflectantes infrarrojas son un material clave para el control de la luz que mejora significativamente la eficiencia de las lámparas incandescentes al reflejar la energía infrarroja de vuelta al filamento. La tecnología de recubrimiento de óxido multicapa también se utiliza ampliamente en la fabricación de películas reflectantes infrarrojas, que se aplican a la superficie de las carcasas de las lámparas de filamento halógeno mediante deposición química de vapor. Simultáneamente, la tecnología de película de filtro de interferencia multicapa también se utiliza para alterar el color de la luz. La selección de materiales reflectantes equilibra las propiedades ópticas, mecánicas y térmicas para mejorar la eficiencia de la lámpara.