Chất liệu đèn: Hướng dẫn toàn diện
Đèn là thiết bị tạo ra ánh sáng bằng cách sử dụng tăm bấc thấm chất dễ cháy hoặc các thiết bị phát sáng khác như đèn khí và đèn điện. Đèn được phát minh ít nhất từ năm 70.000 TCN và đã phát triển theo thời gian để sử dụng các loại vật liệu và thiết kế khác nhau. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá các loại vật liệu được sử dụng để xây dựng một chiếc đèn, cũng như các tính chất và chức năng của chúng.
Định nghĩa về Vật liệu Đèn
Vật liệu đèn là bất kỳ chất nào được sử dụng để xây dựng đèn hoặc các bộ phận của nó. Vật liệu đèn có thể được phân thành hai loại chính: vật liệu cách điện và vật liệu dẫn điện. Vật liệu cách điện là những chất không cho phép dòng điện đi qua, như thủy tinh, gốm, và nhựa. Vật liệu dẫn điện là những chất cho phép dòng điện đi qua, như kim loại và hợp kim.
Vật liệu cách điện được sử dụng để tạo thành hàng rào hoặc vỏ bọc của đèn, bảo vệ nguồn sáng khỏi các yếu tố bên ngoài và ảnh hưởng đến màu sắc và chất lượng của ánh sáng. Vật liệu dẫn điện được sử dụng để tạo thành dây tóc, điện cực, dây dẫn, và đế hoặc nắp cuối của đèn, cung cấp kết nối điện và hỗ trợ cho nguồn sáng.
Các Loại Vật liệu Đèn
Có nhiều loại vật liệu đèn được sử dụng cho các mục đích và ứng dụng khác nhau. Một số loại phổ biến nhất là:
Thủy tinh
Thủy tinh là một vật liệu trong suốt được làm từ cát hoặc silicat đã được nung chảy và trộn với các chất khác. Thủy tinh được sử dụng rộng rãi như một hàng rào hoặc vỏ bọc cho đèn, vì nó có thể chịu được nhiệt độ và áp suất cao và có thể được định hình thành nhiều hình dạng và màu sắc khác nhau. Thủy tinh cũng truyền ánh sáng với mức mất mát hoặc méo mói tối thiểu, và có thể hóa học trơ và chống ăn mòn.
Một số loại thủy tinh được sử dụng cho đèn là:
Thủy tinh silicat soda-lime: Đây là loại thủy tinh phổ biến nhất, có điểm nóng chảy thấp và được sử dụng cho đèn sợi đốt. Nó chứa khoảng 67% silic, cùng với oxit natri, oxit canxi, và các phụ gia khác.
Thủy tinh silicat chì-kiềm: Đây là loại thủy tinh có độ dẫn điện kháng cao hơn so với thủy tinh soda-lime, và được sử dụng cho phần bên trong của bóng đèn. Nó chứa oxit chì, oxit kali, và các phụ gia khác.
Thủy tinh borosilicate: Đây là loại thủy tinh có độ chịu nhiệt kháng cao hơn và hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn so với thủy tinh soda-lime, và được sử dụng cho các đèn công suất cao, như máy chiếu phim. Nó chứa oxit bo, oxit nhôm, và các phụ gia khác.
Thủy tinh silicat alumin: Đây là loại thủy tinh có độ chịu sốc nhiệt thấp hơn so với thủy tinh borosilicate nhưng có chỉ số khúc xạ cao hơn, và được sử dụng cho các đèn công suất thấp với cường độ ánh sáng cao. Nó chứa alumina, magnesia, và các phụ gia khác.
Quartz: Đây là loại thủy tinh được làm từ silic tinh khiết hoặc dioxide silic, có điểm nóng chảy rất cao và độ trong suốt. Nó được sử dụng cho đèn halogen wolfram, hoạt động ở nhiệt độ rất cao. Nó chỉ chứa một lượng nhỏ các kim loại khác và nhóm hydroxyl.
Thủy tinh chống natri: Đây là loại thủy tinh được thiết kế đặc biệt cho đèn hơi natri, tạo ra ánh sáng mạnh bằng cách ion hóa hơi natri. Hơi natri có tính khử mạnh có thể gây đen nhanh cho các loại thủy tinh thông thường. Thủy tinh chống natri chứa một lượng nhỏ silica hoặc các oxit dễ khử khác để ngăn chặn hiệu ứng này.
Gốm sứ
Gốm sứ là các vật liệu phi kim được làm từ đất sét hoặc các chất vô cơ khác được nung và cứng lại. Gốm sứ được sử dụng cho đèn vì có thể được tạo hình thành nhiều kích thước và hình dạng khác nhau và có các tính chất quang học khác nhau, như trong suốt hoặc bán trong suốt. Gốm sứ cũng có thể chịu được nhiệt độ và áp suất cao và có thể ổn định hóa học và chống ăn mòn.
Một số loại gốm sứ được sử dụng cho đèn là:
Gốm sứ đa tinh thể oxit kim loại: Đây là các loại gốm sứ được làm từ oxit kim loại như alumina, magnesia, hoặc oxit đất hiếm, được nung và nén để tạo thành các khối đa tinh thể. Các loại gốm sứ này có thể trong suốt hoặc bán trong suốt tùy thuộc vào độ xốp và kích thước hạt. Chúng được sử dụng cho các đèn áp suất cao như đèn hơi natri hoặc đèn halide kim loại, đòi hỏi khả năng truyền ánh sáng cao.
Gốm sứ truyền thống: Đây là các loại gốm sứ được làm từ đất sét hoặc các chất tự nhiên khác được trộn với nước và tạo hình thành các hình dạng mong muốn trước khi nung. Chúng bao gồm sứ và steatite.
Sứ: Đây là loại gốm sứ được làm từ đất sét kaolin trộn với feldspar, thạch anh, và các phụ gia khác. Nó có độ bền cơ học tốt, khả năng chịu sốc nhiệt, tính cách điện, và khả năng chống ẩm. Nó được sử dụng để làm đế hoặc nắp cuối cho đèn.
Steatite: Đây là loại gốm sứ được làm từ talc trộn với đất sét và các phụ gia khác. Nó có các tính chất tốt hơn so với sứ về mặt điện trở, dẫn nhiệt, cường độ điện môi, và độ ổn định kích thước. Nó được sử dụng để làm cách điện hoặc hỗ trợ cho đèn.
Kim loại
Kim loại là nguyên tố hoặc hợp kim có độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao. Kim loại được sử dụng cho đèn vì có thể cung cấp kết nối điện và hỗ trợ cho nguồn sáng, cũng như phản xạ hoặc khuếch tán ánh sáng tùy thuộc vào bề mặt hoàn thiện. Kim loại cũng có thể được tạo hình thành nhiều kích thước và hình dạng khác nhau bằng cách đúc, rèn, gia công, hoặc hàn.
Một số loại kim loại được sử dụng cho đèn là:
Wolfram: Đây là nguyên tố có điểm nóng chảy rất cao (3422°C) và sức căng kéo (1510 MPa). Nó được sử dụng để làm sợi tóc cho đèn sợi đốt bằng cách kéo nó thành sợi mỏng và cuộn quanh mandrels sắt hoặc molypden. Sợi tóc wolfram có độ chịu nhiệt và bay hơi cao, nhưng cũng yêu cầu điện áp cao để hoạt động.
Molypden: Đây là nguyên tố có điểm nóng chảy cao (2610°C) nhưng sức căng kéo (638 MPa) thấp hơn so với wolfram. Nó được sử dụng để làm hỗ trợ hoặc dây dẫn cho sợi tóc, cũng như điện cực cho đèn hồ quang. Molypden có hệ số giãn nở tương tự như một số loại thủy tinh, cho phép nó tạo thành các mối ghép chặt chẽ với chúng.
Niken: Đây là nguyên tố có điểm nóng chảy vừa phải (1455°C) và sức căng kéo (758 MPa). Nó được sử dụng để mạ điện lên các thành phần sắt hoặc thép để tăng độ cứng và đàn hồi. Niken cũng có độ chịu ăn mòn và oxi hóa cao. Nó được sử dụng để làm dây dẫn hoặc thanh song kim, cho khởi động.
Nhôm: Đây là nguyên tố có điểm nóng chảy thấp (660°C) nhưng sức căng kéo cao (310 MPa). Nó cũng nhẹ (2.7 g/cm3) và không từ tính. Nó có độ chịu ăn mòn cao do lớp oxide mỏng trên bề mặt. Nhôm dễ dàng có sẵn và giá rẻ. Nó được sử dụng để làm nắp hoặc phản xạ cho đèn.
Thép: Đây là hợp kim của sắt với cacbon và các nguyên tố khác như mangan hoặc crôm. Thép có điểm nóng chảy biến đổi (1370°C – 1530°C) tùy thuộc vào thành phần nhưng sức căng kéo cao (400 MPa – 2000 MPa). Thép cũng có độ dẻo và độ uốn tốt. Tấm thép có độ bền cao nhưng chi phí thấp so với các kim loại khác. Tấm thép có thể được cán nóng hoặc cán lạnh, tùy thuộc vào độ dày và bề mặt hoàn thiện. Tấm thép cũng có thể được phủ men sứ để cải thiện vẻ ngoài hoặc độ chịu ăn mòn.
Thép không gỉ: Đây là hợp kim của sắt với crôm (12% – 30%) và các nguyên tố khác như niken hoặc molypden. Thép không gỉ có độ chịu ăn mòn cao do lớp oxide crôm trên bề mặt. Thép không gỉ cũng có các tính chất cơ học tốt như độ bền (515 MPa – 1035 MPa), độ cứng (95 HRB – 40 HRC), độ dẻo (45% – 60%), độ dai (100 J – 225 J), độ chịu mỏi (275 MPa – 690 MPa), độ chịu lún (35 MPa – 200 MPa), độ chịu mài mòn (0.04 g – 0.4 g), độ chịu mòn (0.2 mm – 1 mm), độ chịu ăn mòn (0.02 mm – 0.2 mm), độ chịu ăn mòn khe (0 mm – 0 mm), độ chịu ăn mòn gián đoạn (0 mm – 0 mm), độ chịu ăn mòn galvanic (0 mV – +50 mV), độ chịu ăn mòn ma sát (0 mg – <1 mg), độ chịu embrittlement bởi hydro (>100 MPa), độ chịu ăn mòn sulfide stress (>100 MPa), độ chịu carburization (>100 MPa), độ chịu nitriding (>100 MPa), độ chịu oxy hóa (>1000°C), độ chịu sulfidation (>800°C), độ chịu carburization (>800°C), độ chịu nitriding (>800°C), độ chịu decarburization (>800°C), độ chịu scaling (>800°C), độ chịu spalling (>800°C), độ chịu embrittlement (>800°C), và độ chịu sốc nhiệt (>800°C). Thép không gỉ được sử dụng cho các thiết bị chiếu sáng, đặc biệt là ngoài trời, nơi có khả năng tiếp xúc với các khí quyển ăn mòn.
Đồng: Đây là nguyên tố có độ dẫn điện (59.6 MS/m) và độ dẫn nhiệt (401 W/mK) cao. Đồng cũng dẻo và có thể được tạo hình thành nhiều hình dạng khác nhau. Đồng được sử dụng cho dây dẫn, như bus bar, thiết bị đóng cắt, và dây dẫn, cũng như điện cực cho đèn hồ quang. Đồng cũng có độ chịu ăn mòn cao, đặc biệt là đối với nước biển.
Hợp kim phi sắt: Đây là các hợp kim không chứa sắt làm thành phần chính, như đồng thau, đồng đỏ, hoặc hàn.
Đồng thau: Đây là hợp kim của đồng và thiếc, với tỷ lệ khác nhau của các nguyên tố khác như kẽm hoặc photpho. Đồng thau có các tính chất cơ học tốt, như độ bền (200 MPa – 1200 MPa), độ cứng (60 HB – 250 HB), độ dẻo (3% – 40%), và độ dai (25 J – 200 J). Đồng thau cũng có độ chịu ăn mòn cao, đặc biệt là đối với nước biển và dung dịch axit. Đồng thau được sử dụng cho các thiết bị chiếu sáng đặc biệt có màu sắc hấp dẫn.
Đồng đỏ: Đây là hợp kim của đồng và kẽm, với tỷ lệ khác nhau của các nguyên tố khác như chì hoặc niken. Đồng đỏ có các tính chất cơ học tốt, như độ bền (200 MPa – 9
