Visão geral dos materiais básicos de iluminação
O desenvolvimento da iluminação moderna é inseparável da evolução e inovação dos materiais básicos de iluminação. Dos materiais tradicionais iniciais aos novos materiais amplamente utilizados hoje, a aplicação científica de materiais de iluminação melhorou significativamente o desempenho e a vida útil das luminárias. Esses materiais exibem propriedades superiores sob diferentes temperaturas e condições de operação, servindo como uma força motriz crucial para os avanços na tecnologia de iluminação.
▣ Classificação de Materiais
▣ Materiais de enchimento e vedação
Em regiões convencionais de baixa temperatura (<140 °C), materiais tradicionais como resinas de índigo, borracha de neoprene, espuma de EPDM e espuma de poliuretano moldada por injeção são amplamente utilizados. No entanto, para regiões de alta temperatura (≥200 °C), resinas de silicone extrudadas, moldadas ou cortadas são necessárias. Nos últimos anos, os métodos de reação por moldagem por injeção tornaram-se a mais recente inovação, possibilitando vedações perfeitas e de alta qualidade. Cargas tradicionais e novas são utilizadas em diferentes faixas de temperatura para proporcionar conexões mecânicas e vedações.
Durante a vida útil da lâmpada, a massa de vedação do soquete precisa garantir uma conexão mecânica confiável entre os diferentes coeficientes de expansão térmica e os diversos materiais da lâmpada. O material usado para fixar o soquete metálico ao bulbo de vidro é tipicamente uma mistura de aproximadamente 90% de pó de mármore com resinas fenólicas, naturais e de silicone. Para fixar o soquete de cerâmica ao corpo de sílica fundida da lâmpada, é necessária uma pasta de solda com ponto de fusão mais alto, cujo principal componente é uma mistura de sílica e ligantes inorgânicos, como o silicato de sódio.
▣ Gases Os gases primários utilizados em lâmpadas, como componentes do ar, são geralmente obtidos por destilação fracionada. Esses gases são usados não apenas para controlar diversos processos físicos e químicos, mas também para gerar luz. Durante o funcionamento da lâmpada, o ambiente de alta temperatura aumenta significativamente a reatividade química de muitos materiais da lâmpada, podendo causar danos severos aos materiais estruturais da mesma. Para evitar isso, a estrutura da lâmpada deve ser protegida controlando-se a oxidação e a corrosão. Um método comum é usar gases inertes ou não reativos para manter o ambiente de trabalho dentro da lâmpada.
Processos físicos como evaporação e pulverização catódica reduzem a vida útil de componentes críticos, como o filamento e os eletrodos. No entanto, quando a lâmpada é preenchida com gás inerte e a densidade do gás é suficientemente alta, o impacto negativo desses processos é significativamente reduzido. Embora o criptônio de alta densidade possa ser usado em algumas lâmpadas incandescentes para reduzir a condução de calor e suprimir a evaporação do filamento de tungstênio, prolongando assim a vida útil da lâmpada, o argônio é normalmente usado como gás de enchimento em aplicações práticas.
As moléculas de nitrogênio têm a capacidade de prevenir a formação de arcos destrutivos entre componentes com potenciais diferentes dentro da lâmpada; portanto, o gás de enchimento para lâmpadas é geralmente composto de nitrogênio ou uma mistura de nitrogênio com os gases inertes argônio e criptônio. Em lâmpadas de descarga de gás, gases monomoleculares como argônio, néon e xenônio são usados como gases auxiliares para a iniciação da descarga. Além disso, gases de haleto metálico também desempenham um papel singular em fontes de luz de descarga de gás.
Devido às temperaturas de operação extremamente elevadas das lâmpadas, certos componentes críticos em seu interior são altamente sensíveis a traços de gases oxidantes e dopados com carbono, incluindo oxigênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrocarbonetos e vapor de água. Na maioria das lâmpadas, o teor desses gases nocivos é geralmente rigorosamente controlado, sendo permitido apenas algumas partes por milhão do gás de enchimento total.
▣ Materiais Getter
Durante o funcionamento da lâmpada, componentes como o filamento e os eletrodos atingem temperaturas extremamente altas. Esses componentes são altamente sensíveis aos gases circundantes e reagem facilmente com oxigênio residual, vapor de água, hidrogênio e hidrocarbonetos, afetando assim o desempenho da lâmpada. Portanto, medidas devem ser tomadas para eliminar ou reduzir esses gases residuais. Os materiais getter removem os gases residuais da lâmpada usando materiais metálicos ou não metálicos, mantendo o seu desempenho.
Um getter é um material especificamente projetado para remover impurezas da carcaça ou tubo da ampola após a selagem. Os materiais getter são geralmente classificados em dois tipos: materiais getter de vaporização e materiais getter volumétricos. Os materiais getter de vaporização são usados após a selagem de dispositivos a vácuo. Eles funcionam aquecendo rapidamente ou vaporizando instantaneamente um metal ativo, aparecendo como um depósito fino ou película em componentes selecionados para eliminar o gás. Os materiais getter volumétricos, por outro lado, são frequentemente colocados dentro da ampola na forma de fios metálicos, componentes estruturais ou depósitos semi-soltos. Eles absorvem gases quando a temperatura aumenta e permanecem eficazes durante toda a vida útil da ampola.
Os metais getter mais comuns incluem bário, tântalo, titânio, nióbio, zircônio e suas ligas. Além disso, o fósforo, um agente não metálico eliminador de gases, remove eficazmente traços de oxigênio e vapor de água do gás inerte dentro do bulbo, sendo, portanto, amplamente utilizado há muito tempo.
▣ Vidro e Vidro de Quartzo
O vidro produzido comercialmente pode ser dividido em três categorias principais: silicato de sódio-cálcio, silicato de chumbo-álcali e borossilicato. O vidro de silicato de sódio-cálcio é o mais comumente usado na indústria de iluminação. A escolha do tipo de vidro depende dos requisitos de temperatura, da necessidade de manter a estanqueidade e do desempenho elétrico.
O vidro de silicato de chumbo-álcali é usado principalmente na fabricação de componentes internos para lâmpadas incandescentes comuns e tubos fluorescentes. Para spots convencionais e lâmpadas de descarga de alta potência com temperaturas de operação mais elevadas, é necessário o vidro borossilicato. O vidro de quartzo possui alta transparência, excelente resistência ao choque térmico e suporta ambientes de alta temperatura, com temperaturas de operação de até 900 graus Celsius.
A estanqueidade é um indicador fundamental na seleção de materiais de vidro para lâmpadas. O vidro deve possuir a propriedade de vedação sem tensões com metais para garantir a estanqueidade da lâmpada e sua estabilidade a longo prazo. Além disso, a resistividade, a constante dielétrica e a perda dielétrica do vidro devem atender a padrões satisfatórios para satisfazer os requisitos de desempenho elétrico.
▣ Materiais Cerâmicos
Em ambientes de alta temperatura e alta pressão, o vidro contendo sílica é facilmente corroído por vapores de metais alcalinos, exigindo, portanto, materiais que resistam à corrosão química. A cerâmica é utilizada devido à sua alta resistência à temperatura e à corrosão, possuindo alta resistência mecânica e estabilidade térmica.
Os tubos de alumina policristalina semitransparente (PCA) são um componente essencial na fabricação de lâmpadas de sódio de alta pressão (HPS). Apesar de terem uma espessura de parede de apenas 1 mm, atingem uma transmitância total de luz visível superior a 90%. As cerâmicas comuns, devido à sua boa resistência mecânica, resistência ao choque térmico e excelente isolamento elétrico na faixa de temperatura de operação, são frequentemente utilizadas na fabricação de suportes e bases de lâmpadas.
▣ Materiais para Controle de Luz
Os refletores são componentes essenciais no controle da luz e dividem-se em dois tipos: reflexão regular e reflexão especular. A reflexão difusa também é um método importante de reflexão. Ao selecionar materiais para controle de luz, devemos considerar diversos fatores, incluindo as propriedades ópticas do material, resistência, tenacidade, resistência ao calor e resistência à radiação ultravioleta.
Filmes refletores de infravermelho são um material fundamental para o controle da luz, melhorando significativamente a eficiência das lâmpadas incandescentes ao refletir a energia infravermelha de volta para o filamento. A tecnologia de sobreposição de óxido multicamadas também é amplamente utilizada na fabricação de filmes refletores de infravermelho, aplicados à superfície dos invólucros das lâmpadas halógenas por meio de deposição química de vapor. Simultaneamente, a tecnologia de filmes de filtro de interferência multicamadas também é utilizada para alterar a cor da luz. A seleção de materiais refletores busca o equilíbrio entre as propriedades ópticas, mecânicas e térmicas para otimizar a eficiência da lâmpada.