Matériaux des lampes : un guide complet

Une lampe est un dispositif qui produit de la lumière en utilisant une mèche imbibée de matériau combustible ou d'autres instruments producteurs de lumière tels que les lampes à gaz et électriques. Les lampes ont été inventées au moins depuis 70 000 avant J.-C. et ont évolué au fil du temps pour utiliser différents matériaux et designs. Dans cet article, nous explorerons les différents types de matériaux utilisés pour construire une lampe, ainsi que leurs propriétés et fonctions.

Qu'est-ce qu'un Matériau de Lampe?

Un matériau de lampe est toute substance utilisée pour construire une lampe ou ses composants. Les matériaux de lampe peuvent être classés en deux catégories principales : les matériaux isolants et les matériaux conducteurs. Les matériaux isolants sont ceux qui ne permettent pas le passage d'un courant électrique, tels que le verre, les céramiques et les plastiques. Les matériaux conducteurs sont ceux qui permettent le passage d'un courant électrique, tels que les métaux et alliages.

Les matériaux isolants sont utilisés pour former la barrière ou l'enveloppe de la lampe, qui protège la source lumineuse des facteurs externes et influence la couleur et la qualité de la lumière. Les matériaux conducteurs sont utilisés pour former le filament, l'électrode, le fil d'entrée et la base ou le capuchon de la lampe, qui fournissent la connexion électrique et le support pour la source lumineuse.

Types de Matériaux de Lampe

Il existe de nombreux types de matériaux de lampe utilisés pour différentes applications. Parmi les plus courants, on trouve :

Verre

Le verre est un matériau transparent fabriqué à partir de sable fondu ou de silice mélangé avec d'autres substances. Le verre est largement utilisé comme barrière ou enveloppe pour les lampes, car il peut résister à des températures et pressions élevées et peut être façonné en diverses formes et couleurs. Le verre peut également transmettre la lumière avec une perte minimale ou une distorsion, et peut être chimiquement inerte et résistant à la corrosion.

Parmi les types de verre utilisés pour les lampes, on trouve :

• Verre silicate de soude-lime : C'est le type de verre le plus courant, qui a un point de fusion bas et est utilisé pour les lampes à filament. Il contient environ 67% de silice, ainsi que de l'oxyde de sodium, de l'oxyde de calcium et d'autres additifs.

• Verre silicate alcalin-plomb : C'est un type de verre qui a une plus grande résistivité électrique que le verre silicate de soude-lime, et est utilisé pour la partie interne du globe de la lampe. Il contient de l'oxyde de plomb, de l'oxyde de potassium et d'autres additifs.

• Verre borosilicate : C'est un type de verre qui a une meilleure résistance thermique et un coefficient de dilatation thermique plus faible que le verre silicate de soude-lime, et est utilisé pour les lampes de forte puissance, telles que les projecteurs de cinéma. Il contient de l'oxyde de bore, de l'oxyde d'aluminium et d'autres additifs.

• Verre silicate d'alumine : C'est un type de verre qui a une moindre résistance aux chocs thermiques que le verre borosilicate, mais un indice de réfraction plus élevé, et est utilisé pour les lampes de faible puissance avec un fort rendement lumineux. Il contient de l'alumine, de la magnésie et d'autres additifs.

• Quartz : C'est un type de verre fabriqué à partir de silice pure ou de dioxyde de silicium, qui a un point de fusion très élevé et une grande transparence. Il est utilisé pour les lampes à halogène tungstène, qui fonctionnent à des températures très élevées. Il contient seulement des traces d'autres métaux et de groupes hydroxyle.

• Verre résistant au sodium : C'est un type de verre spécialement conçu pour les lampes à vapeur de sodium, qui produisent une lumière intense en ionisant la vapeur de sodium. La vapeur de sodium a une propriété réductrice puissante qui peut causer un noircissement rapide des verres normaux. Le verre résistant au sodium contient de petites quantités de silice ou d'autres oxydes facilement réductibles pour prévenir cet effet.

Céramiques

Les céramiques sont des matériaux non métalliques fabriqués à partir d'argile ou d'autres substances inorganiques chauffées et durcies. Les céramiques sont utilisées pour les lampes car elles peuvent être moulées en diverses formes et tailles et avoir différentes propriétés optiques, telles que la transparence ou la translucidité. Les céramiques peuvent également résister à des températures et pressions élevées et être chimiquement stables et résistantes à la corrosion.

Parmi les types de céramiques utilisées pour les lampes, on trouve :

• Céramiques polycristallines d'oxydes métalliques : Ce sont des céramiques fabriquées à partir d'oxydes métalliques tels que l'alumine, la magnésie ou les oxydes de terres rares, qui sont chauffés et frittés pour former des corps polycristallins. Ces céramiques peuvent être transparentes ou translucides selon leur porosité et leur taille de grain. Elles sont utilisées pour les lampes haute pression, telles que les lampes à vapeur de sodium ou les lampes à halogénures métalliques, qui nécessitent une transmission lumineuse élevée.

• Céramiques conventionnelles : Ce sont des céramiques fabriquées à partir d'argile ou d'autres substances naturelles mélangées avec de l'eau et façonnées en formes désirées avant cuisson. Elles incluent la porcelaine et la steatite.

• Porcelaine : C'est un type de céramique fabriqué à partir d'argile kaolin mélangée avec du feldspath, du quartz et d'autres additifs. Elle a une bonne résistance mécanique, une résistance aux chocs thermiques, une propriété d'isolation électrique et une résistance à l'humidité. Elle est utilisée pour fabriquer les bases ou les capuchons de lampes.

• Steatite : C'est un type de céramique fabriqué à partir de talc mélangé avec de l'argile et d'autres additifs. Elle a de meilleures propriétés que la porcelaine en termes de résistivité électrique, de conductivité thermique, de résistance diélectrique et de stabilité dimensionnelle. Elle est utilisée pour fabriquer des isolateurs ou des supports pour les lampes.

Métal

Le métal est un élément ou un alliage ayant une haute conductivité électrique et thermique. Le métal est utilisé pour les lampes car il peut fournir une connexion électrique et un support pour la source lumineuse, ainsi que refléter ou diffuser la lumière selon son finition de surface. Le métal peut également être façonné en diverses formes et tailles par coulage, forgeage, usinage ou soudage.

Parmi les types de métal utilisés pour les lampes, on trouve :

• Tungstène : C'est un élément qui a un point de fusion très élevé (3422°C) et une résistance à la traction (1510 MPa). Il est utilisé pour fabriquer des filaments pour les lampes à incandescence en le tirant en fils fins et en les enroulant autour de mandrins en fer ou en molybdène. Les filaments en tungstène ont une haute résistance à la chaleur et à l'évaporation, mais ils nécessitent également une haute tension pour fonctionner.

• Molybdène : C'est un élément qui a un point de fusion élevé (2610°C) mais une résistance à la traction (638 MPa) inférieure à celle du tungstène. Il est utilisé pour fabriquer des supports ou des fils d'entrée pour les filaments, ainsi que des électrodes pour les lampes à arc. Le molybdène a un coefficient de dilatation similaire à certains types de verre, ce qui lui permet de former des joints serrés avec eux.

• Nickel : C'est un élément qui a un point de fusion modéré (1455°C) et une résistance à la traction (758 MPa). Il est utilisé pour électrolyser les composants en fer ou en acier pour augmenter leur dureté et leur élasticité. Le nickel a également une haute résistance à la corrosion et à l'oxydation. Il est utilisé pour fabriquer des fils d'entrée ou des bandes bimétalliques, pour les démarreurs.

• Aluminium : C'est un élément qui a un point de fusion bas (660°C) mais une résistance à la traction (310 MPa). Il est également léger (2,7 g/cm³) et non magnétique. Il a une haute résistance à la corrosion en raison de la fine couche d'oxyde sur sa surface. L'aluminium est facilement disponible et bon marché. Il est utilisé pour fabriquer des culots ou des réflecteurs pour les lampes.

• Acier : C'est un alliage de fer avec du carbone et d'autres éléments tels que le manganèse ou le chrome. L'acier a un point de fusion variable (1370°C – 1530°C) selon sa composition, mais une résistance à la traction (400 MPa – 2000 MPa). L'acier a également une bonne ductilité et malléabilité. Les feuilles d'acier ont une haute résistance mais un coût bas par rapport à d'autres métaux. Les feuilles d'acier peuvent être laminées à chaud ou à froid, selon leur épaisseur et leur finition de surface. Les feuilles d'acier peuvent également être revêtues d'émail de porcelaine pour améliorer leur apparence ou leur résistance à la corrosion.

• Acier inoxydable : C'est un alliage de fer avec du chrome (12% – 30%) et d'autres éléments tels que le nickel ou le molybdène. L'acier inoxydable a une haute résistance à la corrosion en raison de sa couche d'oxyde de chrome sur sa surface. L'acier inoxydable a également de bonnes propriétés mécaniques telles que la résistance (515 MPa – 1035 MPa), la dureté (95 HRB – 40 HRC), la ductilité (45% – 60%), la tenacité (100 J – 225 J), la résistance à la fatigue (275 MPa – 690 MPa), la résistance à la fluage (35 MPa – 200 MPa), la résistance à l'usure (0,04 g – 0,4 g), la résistance à l'abrasion (0,2 mm – 1 mm), la résistance à l'érosion (0,02 mm – 0,2 mm), la résistance à la cavitation (0 mm – 0,05 mm), la résistance à la piqûre (0 mm – 0 mm), la résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte (0 mm – 0 mm), la résistance à la corrosion intergranulaire (0 mm – 0 mm), la résistance à la corrosion galvanique (0 mV – +50 mV), la résistance à la corrosion par fretting (0 mg – <1 mg), la résistance à l'embrittlement par l'hydrogène (>100 MPa), la résistance à la fissuration par stress sulfureux (>100 MPa), la résistance à la carburisation (>100 MPa), la résistance à la nitridation (>100 MPa), la résistance à l'oxydation (>1000°C), la résistance à la sulfuration (>800°C), la résistance à la carburisation (>800°C), la résistance à la nitridation (>800°C), la résistance à la décarburation (>800°C), la résistance à l'écaillage (>800°C), la résistance à l'exfoliation (>800°C), la résistance à l'embrittlement (>800°C) et la résistance aux chocs thermiques (>800°C). L'acier inoxydable est utilisé pour les luminaires, en particulier ceux destinés à l'extérieur, où il y a un risque d'exposition à des atmosphères corrosives.

• Cuivre : C'est un élément qui a une haute conductivité électrique (59,6 MS/m) et thermique (401 W/mK). Le cuivre est également ductile et malléable et peut être facilement façonné en diverses formes. Le cuivre est utilisé pour les conducteurs, tels que les barres de collecteur, les appareillages de commutation et les fils d'entrée, ainsi que les électrodes pour les lampes à arc. Le cuivre a également une bonne résistance à la corrosion, en particulier contre l'eau de mer.

• Alliages non ferreux : Ce sont des alliages qui ne contiennent pas de fer comme composant majeur, tels que le bronze, le laiton ou la soudure.

• Bronze : C'est un alliage de cuivre et d'étain, avec des proportions variables d'autres éléments tels que le zinc ou le phosphore. Le bronze a de bonnes propriétés mécaniques, telles que la résistance (200 MPa – 1200 MPa), la dureté (60 HB – 250 HB), la ductilité (3% – 40%) et la tenacité (25 J – 200 J). Le bronze a également une bonne résistance à la corrosion, en particulier contre l'eau de mer et les solutions acides. Le bronze est utilisé pour les luminaires spéciaux qui ont une apparence colorée attrayante.

• Laiton : C'est un alliage de cuivre et de zinc, avec des proportions variables d'autres éléments tels que le plomb ou le nickel. Le laiton a de bonnes propriétés mécaniques, telles que la résistance (200 MPa – 900 MPa), la dureté (50 HB – 200 HB), la ductilité (10% – 50%) et la tenacité (30 J – 150 J). Le laiton a également une bonne résistance à la corrosion, en particulier contre l'eau de mer et les solutions alcalines. Le laiton est utilisé pour les luminaires spéciaux qui ont une apparence colorée attrayante.

• Soudure : C'est un alliage d'étain et de plomb, avec des proportions variables d'autres éléments tels que l'argent ou l'antimoine. La soudure a un point de fusion bas (183°C – 232°C) et une grande mouillabilité, ce qui signifie qu'elle peut adhérer facilement aux surfaces métalliques. La soudure est utilisée pour assembler des composants métalliques en les faisant fondre et solidifier. La soudure est utilisée à l'extrémité du culot de la lampe pour la connexion électrique.

• Matériau getter : C'est un matériau utilisé pour absorber les impuretés gazeuses produites à l'intérieur de la lampe pendant son fonctionnement, car elles peuvent diminuer les performances de la lampe. Les impuretés gazeuses comprennent l'oxygène, le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone, l'azote, l'hydrogène, la vapeur d'eau, et autres. Le matériau getter peut être sous forme de feuille, de fil ou de dépôt de surface et peut être activé par chauffage ou exposition à la lumière ultraviolette. Parmi les matériaux getter utilisés pour les lampes, on trouve :

• Baryum : C'est un élément qui a une forte affinité pour l'oxygène et l'azote et peut former des composés stables avec eux. Le baryum est utilisé comme matériau getter métallique pour les lampes à incandescence et les lampes fluorescentes.

• Tantale : C'est un élément qui a une forte affinité pour l'oxygène et l'azote et peut former des composés stables avec eux. Le tantale est utilisé comme matériau getter métallique pour les lampes à halogène tungstène et les lampes à halogénures métalliques.

• Titane : C'est un élément qui a une forte affinité pour l'oxygène et l'azote et peut former des composés stables avec eux. Le titane est utilisé comme matériau getter métallique pour les lampes à vapeur de sodium et les lampes à vapeur de mercure.

• Niobium : C'est un élément qui a une forte affinité pour l'oxygène et l'azote et peut former des composés stables avec eux. Le niobium est utilisé comme matériau getter métallique pour les lampes à vapeur de sodium et les lampes à vapeur de mercure.

• Zirconium : C'est un élément qui a une forte affinité pour l'oxygène et l'azote et peut former des composés stables avec eux. Le zirconium est utilisé comme matériau getter métallique pour les lampes à vapeur de sodium et les lampes à vapeur de mercure.

• Alliage baryum-tantale-titane : C'est un alliage de baryum, tant