Valonlaitteiden materiaalit: Yleiskatsaus

Lamppu on laite, joka tuottaa valoa käyttäen vahaketta, joka on upotettu syttyvään materiaaliin, tai muita valon tuottavia laitteita, kuten kaasua ja sähkölampuja. Lampput on keksitty ainakin 70 000 eKr:n aikoihin asti, ja ne ovat kehittyneet ajan myötä käyttämään erilaisia materiaaleja ja suunnitelmia. Tässä artikkelissa tutkimme erilaisia materiaaleja, joita lampun rakentamiseen käytetään, ja niiden ominaisuuksia ja toimintoja.

Mitä tarkoittaa lampun materiaali?

Lampun materiaali on mikä tahansa aine, jota käytetään lampun tai sen komponenttien rakentamiseen. Lampun materiaaleja voidaan luokitella kahteen pääluokkaan: eristäviin materiaaleihin ja johtaviin materiaaleihin. Eristävät materiaalit ovat sellaisia, jotka eivät salli sähkövirtaa kulkea läpi niitä, kuten lasi, keramiikka ja muovit. Johtavat materiaalit ovat sellaisia, jotka sallivat sähkövirran kulkea niiden läpi, kuten metallit ja liittymät.

Eristävät materiaalit käytetään lampun esteen tai ympäröivän rakenneosan muodostamiseen, joka suojelee valolähdettä ulkoisilta tekijöiltä ja vaikuttaa valon väriin ja laatuun. Johtavat materiaalit käytetään filamentin, elektronin, johtolinjan ja lampun pohjan tai lopullisen kappaleen muodostamiseen, jotka tarjoavat sähköyhteyden ja tukevat valolähdettä.

Lampun materiaalien tyypit

On olemassa monia lampun materiaaleja, jotka käytetään eri tarkoituksiin ja sovelluksiin. Joitakin yleisimmistä ovat:

Lasi

Lasi on läpinäkyvä materiaali, joka valmistetaan suljettujen hiekka- tai silikaattien sekoittamisesta muihin aineisiin. Lasia käytetään laajasti lampun esteenä tai ympäröivänä rakenneena, koska se kestää korkeita lämpötiloja ja paineita ja sitä voidaan muotoilla erilaisiin muotoihin ja väreihin. Lasi voi myös välittää valoa minimielimenetyksellä tai -vääristymällä, ja se voi olla kemiallisesti passiivinen ja vastustaa korroosia.

Joitakin lasityyppejä, joita käytetään lamppuihin, ovat:

• Soda-lime-silikaattilasi: Tämä on yleisin lasityyppi, jolla on matala sulamispiste, ja sitä käytetään filamenttiammattilampeihin. Se sisältää noin 67 % silikaattia, lisäksi natriumoksidia, kalsiumoksidia ja muita lisäaineita.

• Pb-alkali-silikaattilasi: Tämä on lasityyppi, jolla on korkeampi sähköinen vastus kuin soda-lime-lasilla, ja sitä käytetään lampun sisäosan lasina. Se sisältää lyijyoksidia, kaliumoksidia ja muita lisäaineita.

• Borosiilikattilasi: Tämä on lasityyppi, jolla on korkeampi lämpötila-vastus ja alhaisempi termistälaajenemiskerroin kuin soda-lime-lasilla, ja sitä käytetään korkeampiin wattisiin lampeihin, kuten elokuvaprojektoriin. Se sisältää boriaoksidia, alumiiniaoksidia ja muita lisäaineita.

• Alumina-silikaattilasi: Tämä on lasityyppi, jolla on alhaisempi lämpöjäykkyyskuvaus kuin borosiilikattilasilla, mutta korkeampi taitevuoro ja sitä käytetään mataliin wattisiin lampeihin, joilla on korkea valotuotto. Se sisältää aluminaa, magnesiaa ja muita lisäaineita.

• Kvartsi: Tämä on lasityyppi, joka on tehty puhtaasta silikaatista tai siilidioksidista, jolla on hyvin korkea sulamispiste ja läpinäkyvyys. Sitä käytetään wolfram-halogeenilampeihin, jotka toimivat hyvin korkeilla lämpötiloilla. Siinä on vain pieni määrä muita metalleja ja hydroksyyryhmiä.

• Natriumkestävä lasi: Tämä on lasityyppi, joka on erityisesti suunniteltu natriumvapourilampeihin, jotka tuottavat voimakasta valoa ionisoimalla natriumvapauta. Natriumvapaus on voimakas reduktioominaisuus, joka voi aiheuttaa tavallisten lasien nopean mustenemisen. Natriumkestävä lasi sisältää pieniä määriä silikaattia tai muita helposti reduktoituvia oksideja estääkseen tämän vaikutuksen.

Keramiikka

Keramiikka on metalliton materiaali, joka on tehty savusta tai muista inorganisista aineista, jotka on kuumennettu ja kovennettu. Keramiikkaa käytetään lampeihin, koska sitä voidaan muotoilla erilaisiin muotoihin ja kokoisiin ja sillä voi olla erilaisia optisia ominaisuuksia, kuten läpinäkyvyys tai läpinäkyväisyys. Keramiikka kestää korkeita lämpötiloja ja paineita ja se on kemiallisesti vakaa ja vastustaa korroosia.

Joitakin keramiikkatyyppejä, joita käytetään lampeihin, ovat:

• Monikristalliset metallioksidehdytetty keramiikka: Nämä ovat keramiikkaa, jotka on tehty metallioksidoista, kuten aluminia, magneesia tai harvinaisia maaperän oxideja, jotka on kuumennettu ja sinteröity. Nämä keramiikat voivat olla läpinäkyviä tai läpinäkyviä riippuen niiden porosuudesta ja hiukkasen koosta. Niitä käytetään korkean paineen lampeihin, kuten natriumvapourilampeihin tai metalli-haloogilampeihin, jotka vaativat korkeaa valonläpäisyä.

• Perinteinen keramiikka: Nämä ovat keramiikkaa, jotka on tehty savusta tai muista luonnollisista aineista, jotka on sekoitettu vedellä ja muotoiltu haluttuihin muotoihin ennen polttamista. Niihin kuuluu porseeliini ja steatiti.

• Porseeliini: Tämä on keramiikan tyyppi, joka on tehty kaoliinisavusta, johon on sekoitettu feldspattia, kvartsi ja muita lisäaineita. Sillä on hyvä mekaaninen vahvuus, lämpöjäykkyys, sähköinen eristysohjelma ja kosteuskyky. Sitä käytetään lampun pohjan tai loppupuolen valmistukseen.

• Steatiti: Tämä on keramiikan tyyppi, joka on tehty talciin sekoitettuna savulla ja muilla lisäaineilla. Sillä on parempia ominaisuuksia kuin porseeliinissa sähköisen vastus, lämpöjohtavuuden, dielektrisen vahvuuden ja mittasuhteellisen vakauden suhteen. Sitä käytetään lampun eristinten tai tukien valmistukseen.

Mettiäli

Metalli on elementti tai liittymä, jolla on korkea sähköinen ja lämpöjohtavuus. Metallia käytetään lampeihin, koska se voi tarjota sähköyhteyden ja tuen valolähdelle, sekä heijastaa tai levittää valoa sen pinnan viimeistelyn mukaan. Metallia voidaan muotoilla erilaisiin muotoihin ja kokoihin vuodattamalla, kovanaamalla, koneilla tai hitaamalla.

Joitakin metallityyppejä, joita käytetään lampeihin, ovat:

• Wolfram: Tämä on elementti, jolla on hyvin korkea sulamispiste (3422°C) ja venymäraja (1510 MPa). Sitä käytetään filamenttien valmistukseen lampeihin vetämällä se ohuiksi langaksi ja kiertämällä niitä rauta- tai molybdeenipuitteisiin. Wolframfilamentit ovat korkeasti vastustuskykyisiä lämpölle ja höyrylle, mutta ne vaativat myös korkeaa jännitettä toimiakseen.

• Molybdeeni: Tämä on elementti, jolla on korkea sulamispiste (2610°C), mutta alhaisempi venymäraja (638 MPa) kuin wolframilla. Sitä käytetään filamenttien tukien tai johtolinjojen valmistukseen, sekä kaarilampeiden elektrodeihin. Molybdeenilla on samankaltainen laajenemiskerroin kuin tietyille lasityypeille, mikä mahdollistaa tiiviit sidokset niiden kanssa.

• Nikkeli: Tämä on elementti, jolla on keskinkertainen sulamispiste (1455°C) ja venymäraja (758 MPa). Sitä käytetään ruosteen tai teräksen komponenttien elektroniikkaan lisäämään niiden kovuutta ja venymiskykyä. Nikkeli on myös korkeasti vastustuskykyinen korroosiolle ja oksidoinnille. Sitä käytetään johtolinjojen tai bimetallisten stippen valmistukseen, aloitusmekanismeissa.

• Alumiini: Tämä on elementti, jolla on alhainen sulamispiste (660°C), mutta korkea venymäraja (310 MPa). Se on myös kevyt (2.7 g/cm3) ja epämagneettinen. Alumiinilla on korkea korroosiovastus sen pinnalla olevan ohuen oksidikerroksen takia. Alumiinia on helposti saatavilla ja se on edullista hintaan. Sitä käytetään lampun kappeihin tai heijastimiin.

• Teräs: Tämä on rautaliittymä, jossa on hiiliä ja muita elementtejä, kuten mangaania tai kromia. Teräksen sulamispiste vaihtelee (1370°C – 1530°C) sen koostumuksesta riippuen, mutta sillä on korkea venymäraja (400 MPa – 2000 MPa). Teräksessä on hyvä venymiskyky ja muovautuvuus. Teräksen levyn hinta on korkea, mutta se on edullista verrattuna muihin metalleihin. Teräksen leveydessä voi olla kuumavaljastettu tai kylmävaljastettu, sen paksuuden ja pinnan viimeistelyn mukaan. Teräksen leveydellä voi olla porseeliini-emalia, jotta parannetaan sen ulkonäköä tai korroosiovastusta.

• Rosteton teräs: Tämä on rautaliittymä, jossa on kromia (12% – 30%) ja muita elementtejä, kuten nikkelia tai molybdeenia. Rosteton teräksessä on korkea korroosiovastus sen pinnalla olevan kromioxidikerroksen ansiosta. Rosteton teräksessä on hyvät mekaaniset ominaisuudet, kuten vahvuus (515 MPa – 1035 MPa), kovuus (95 HRB – 40 HRC), venymiskyky (45% – 60%), kestävyys (100 J – 225 J), väsyntävastus (275 MPa – 690 MPa), puristusvastus (35 MPa – 200 MPa), kulutusvastus (0.04 g – 0.4 g), kitinanvastus (0.2 mm – 1 mm), eroosiovastus (0.02 mm – 0.2 mm), kuplauksenvastus (0 mm – 0.05 mm), putousvastus (0 mm – 0 mm), rajojen välinen korroosiovastus (0 mm – 0 mm), galvaninen korroosiovastus (0 mV – +50 mV), kitinanvastus (0 mg – <1 mg), vedenstomavastus (>100 MPa), sulfidistä stressikrakanvastus (>100 MP