Überblick über grundlegende Beleuchtungsmaterialien
Die Entwicklung moderner Beleuchtung ist untrennbar mit der Evolution und Innovation grundlegender Beleuchtungsmaterialien verbunden. Von den anfänglich traditionellen Materialien bis hin zu den heute weit verbreiteten neuen Werkstoffen hat die wissenschaftliche Anwendung von Beleuchtungsmaterialien die Leistung und Lebensdauer von Leuchten deutlich verbessert. Diese Materialien weisen unter verschiedenen Temperaturen und Betriebsbedingungen überlegene Eigenschaften auf und sind somit ein entscheidender Motor für Fortschritte in der Beleuchtungstechnologie.
▣ Materialklassifizierung
▣ Füll- und Dichtungsmaterialien
In herkömmlichen Niedertemperaturbereichen (<140 °C) finden traditionelle Werkstoffe wie Indigoharze, Neoprenkautschuk, EPDM-Schaumkautschuk und spritzgegossener Polyurethanschaum breite Anwendung. Für Hochtemperaturbereiche (über 200 °C) sind hingegen extrudierte, gegossene oder geschnittene Silikonharze erforderlich. Spritzgussverfahren haben sich in den letzten Jahren als neueste Innovation etabliert und ermöglichen nahtlose, hochwertige Verbindungen. Traditionelle und neue Füllstoffe werden in unterschiedlichen Temperaturbereichen eingesetzt, um mechanische Verbindungen und Dichtungen zu gewährleisten.
Während der Lebensdauer der Lampe muss die Kittmasse der Lampenkappe eine zuverlässige mechanische Verbindung zwischen den verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten und den unterschiedlichen Lampenmaterialien gewährleisten. Das Material, mit dem die Metallkappe an den Glaskolben geklebt wird, besteht typischerweise aus einer Mischung von ca. 90 % Marmormehl und Phenol-, Natur- und Silikonharzen. Für die Befestigung der Keramikkappe am Quarzglas-Lampenkörper wird eine Lötpaste mit höherem Schmelzpunkt benötigt, deren Hauptbestandteil eine Mischung aus Siliciumdioxid und anorganischen Bindemitteln wie Natriumsilikat ist.
Gase Die in Lampen verwendeten Primärgase, die Bestandteile der Luft sind, werden üblicherweise durch fraktionierte Destillation gewonnen. Diese Gase dienen nicht nur der Steuerung verschiedener physikalischer und chemischer Prozesse, sondern auch der Lichterzeugung. Während des Lampenbetriebs erhöht die hohe Temperatur die chemische Reaktivität vieler Lampenmaterialien erheblich, was potenziell zu schweren Schäden an den Strukturmaterialien der Lampe führen kann. Um dies zu vermeiden, muss die Lampenstruktur durch die Kontrolle von Oxidation und Korrosion geschützt werden. Eine gängige Methode ist die Verwendung inerter oder reaktionsarmer Gase, um die Betriebsumgebung in der Lampe aufrechtzuerhalten.
Physikalische Prozesse wie Verdampfung und Sputtern verkürzen die Lebensdauer kritischer Bauteile wie Glühfaden und Elektroden. Wird die Lampe jedoch mit einem Edelgas gefüllt und ist die Gasdichte ausreichend hoch, wird die Schädlichkeit dieser Prozesse deutlich reduziert. Obwohl in einigen Glühlampen hochdichtes Krypton zur Verringerung der Wärmeleitung und zur Unterdrückung der Wolframverdampfung eingesetzt werden kann, wodurch die Lampenlebensdauer verlängert wird, wird in der Praxis üblicherweise Argon als Füllgas verwendet.
Stickstoffmoleküle verhindern die Bildung zerstörerischer Lichtbögen zwischen Komponenten mit unterschiedlichen Potenzialen innerhalb der Lampe. Daher besteht das Füllgas für Lampen üblicherweise aus Stickstoff oder einem Gemisch aus Stickstoff und den Edelgasen Argon und Krypton. In Gasentladungslampen werden monomolekulare Gase wie Argon, Neon und Xenon als Hilfsgase zur Zündung der Entladung verwendet. Auch Metallhalogenide spielen eine wichtige Rolle in Gasentladungslampen.
Aufgrund der extrem hohen Betriebstemperaturen der Lampen reagieren bestimmte kritische Bauteile innerhalb der Lampe äußerst empfindlich auf Spurenmengen oxidierender und kohlenstoffhaltiger Gase, darunter Sauerstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffe und Wasserdampf. In den meisten Lampen wird der Gehalt dieser schädlichen Verunreinigungsgase streng kontrolliert und darf nur wenige ppm des gesamten Füllgases betragen.
▣ Getter-Materialien
Während des Betriebs einer Glühbirne erreichen Bauteile wie Glühfaden und Elektroden extrem hohe Temperaturen. Diese Bauteile reagieren empfindlich auf umgebende Gase und reagieren leicht mit Rest-Sauerstoff, Wasserdampf, Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen, was die Leistung der Glühbirne beeinträchtigt. Daher müssen Maßnahmen ergriffen werden, um diese Restgase zu eliminieren oder zu reduzieren. Gettermaterialien entfernen Restgase aus der Glühbirne mithilfe metallischer oder nichtmetallischer Werkstoffe und erhalten so deren Leistungsfähigkeit aufrecht.
Ein Getter ist ein Material, das speziell dafür entwickelt wurde, Verunreinigungen nach dem Verschließen aus dem Lampengehäuse oder der Röhre zu entfernen. Gettermaterialien werden im Allgemeinen in zwei Typen unterteilt: Verdampfungsgetter und volumetrische Getter. Verdampfungsgetter werden nach dem Verschließen von Vakuumgeräten eingesetzt. Sie wirken, indem sie ein aktives Metall schnell erhitzen oder schlagartig verdampfen lassen. Das so entstehende Metall bildet einen dünnen Belag oder Film auf ausgewählten Bauteilen und entfernt Gase. Volumetrische Getter hingegen werden häufig in Form von Metalldrähten, Strukturbauteilen oder halblosen Ablagerungen im Inneren der Lampe platziert. Sie absorbieren Gase, sobald die Temperatur steigt, und bleiben über die gesamte Lebensdauer der Lampe wirksam.
Gängige Gettermetalle sind Barium, Tantal, Titan, Niob, Zirkonium und deren Legierungen. Phosphor, ein nichtmetallisches Gasentfernungsmittel, entfernt zudem effektiv Spuren von Sauerstoff und Wasserdampf aus dem Edelgas im Inneren des Kolbens und wird daher seit Langem eingesetzt.
▣ Glas und Quarzglas
Industriell hergestelltes Glas lässt sich in drei Hauptkategorien unterteilen: Natrium-Calcium-Silikatglas, Blei-Alkali-Silikatglas und Borosilikatglas. Natrium-Calcium-Silikatglas ist das am häufigsten verwendete Glas in der Beleuchtungsindustrie. Die Wahl des Glastyps hängt von den Anforderungen an Temperaturbeständigkeit, Luftdichtheit und elektrische Eigenschaften ab.
Bleialkali-Silikatglas wird hauptsächlich zur Herstellung von Innenteilen für herkömmliche Glühbirnen und Leuchtstoffröhren verwendet. Für konventionelle Strahler und Hochleistungsentladungslampen mit höheren Betriebstemperaturen wird Borosilikatglas benötigt. Quarzglas zeichnet sich durch hohe Transparenz, ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit und Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen bis zu 900 °C aus.
Luftdichtheit ist ein entscheidendes Kriterium bei der Auswahl von Glasmaterialien für Lampen. Das Glas muss eine spannungsfreie Abdichtung mit Metallen gewährleisten, um die Luftdichtheit und Langzeitstabilität der Lampe sicherzustellen. Darüber hinaus müssen der spezifische Widerstand, die Dielektrizitätskonstante und die dielektrischen Verluste des Glases den geforderten Standards entsprechen, um die elektrischen Leistungsanforderungen zu erfüllen.
▣ Keramische Werkstoffe
Unter hohen Temperaturen und hohem Druck korrodiert silikathaltiges Glas leicht durch Alkalimetalldämpfe, weshalb Materialien benötigt werden, die chemischer Korrosion widerstehen. Keramik wird aufgrund ihrer hohen Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit sowie ihrer hohen mechanischen Festigkeit und thermischen Stabilität eingesetzt.
Polykristalline, halbtransparente Aluminiumoxid-Röhren (PCA) sind ein wichtiger Bestandteil bei der Herstellung von Natriumdampf-Hochdrucklampen (HPS). Trotz einer Wandstärke von nur 1 mm erreichen sie eine Lichtdurchlässigkeit von über 90 % im sichtbaren Bereich. Für Lampenfassungen und -sockel werden häufig gewöhnliche Keramiken verwendet, da sie eine gute mechanische Festigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und hervorragende elektrische Isolation im Betriebstemperaturbereich aufweisen.
▣ Materialien zur Lichtsteuerung
Reflektoren sind Schlüsselkomponenten der Lichtsteuerung und werden in zwei Typen unterteilt: reguläre und spiegelnde Reflexion. Auch die diffuse Reflexion ist eine wichtige Reflexionsmethode. Bei der Auswahl von Materialien zur Lichtsteuerung müssen verschiedene Faktoren umfassend berücksichtigt werden, darunter die optischen Eigenschaften, Festigkeit, Zähigkeit, Hitzebeständigkeit und UV-Beständigkeit des Materials.
Infrarotreflektierende Folien sind ein wichtiges Material zur Lichtsteuerung, das die Effizienz von Glühlampen deutlich verbessert, indem es Infrarotstrahlung zum Glühfaden zurückreflektiert. Die Mehrschicht-Oxidbeschichtungstechnologie findet breite Anwendung bei der Herstellung von infrarotreflektierenden Folien, die mittels chemischer Gasphasenabscheidung auf die Oberfläche von Halogenlampengehäusen aufgebracht werden. Parallel dazu wird die Mehrschicht-Interferenzfiltertechnologie zur Farbveränderung des Lichts eingesetzt. Die Auswahl der reflektierenden Materialien zielt auf ein ausgewogenes Verhältnis von optischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften ab, um die Lampeneffizienz zu optimieren.