نظرة عامة على مواد الإضاءة الأساسية
لا ينفصل تطور الإضاءة الحديثة عن تطور وابتكار مواد الإضاءة الأساسية. بدءًا من المواد التقليدية الأولية وصولًا إلى المواد الجديدة واسعة الاستخدام اليوم، حسّن التطبيق العلمي لمواد الإضاءة أداء وحدات الإنارة وعمرها الافتراضي بشكل ملحوظ. تتميز هذه المواد بخصائص فائقة في درجات الحرارة وظروف التشغيل المختلفة، مما يُمثل دافعًا أساسيًا للتقدم في تكنولوجيا الإضاءة.
▣ تصنيف المواد
▣ مواد الحشو والختم
في المناطق ذات درجات الحرارة المنخفضة التقليدية (أقل من ١٤٠ درجة مئوية)، تُستخدم على نطاق واسع مواد تقليدية مثل راتنجات النيلي، ومطاط النيوبرين، ومطاط إسفنجي EPDM، ورغوة البولي يوريثان المصبوبة بالحقن. أما في المناطق ذات درجات الحرارة المرتفعة (٢٠٠ درجة مئوية)، فتُستخدم راتنجات السيليكون المبثوقة أو المصبوبة أو المقطوعة. في السنوات الأخيرة، أصبحت طرق التفاعل المصبوبة بالحقن أحدث الابتكارات، مما يتيح إنتاج أختام عالية الجودة دون درزات. تُستخدم الحشوات التقليدية والجديدة في مناطق ذات درجات حرارة مختلفة لتوفير الوصلات الميكانيكية والأختام.
خلال عمر المصباح، يجب أن يوفر معجون غطاء المصباح اتصالاً ميكانيكياً موثوقاً بين معاملات التمدد الحراري المختلفة ومواد المصباح المختلفة. عادةً ما تكون المادة المستخدمة لتثبيت غطاء المصباح المعدني على المصباح الزجاجي خليطاً من مسحوق حشو الرخام بنسبة 90% تقريباً مع راتنجات الفينول والطبيعية والسيليكون. لتثبيت غطاء المصباح الخزفي على جسم المصباح المصنوع من السيليكا المنصهرة، يلزم استخدام معجون لحام ذي درجة انصهار أعلى، يتكون بشكل رئيسي من خليط من السيليكا ومواد رابطة غير عضوية مثل سيليكات الصوديوم.
▣ الغازات: تُستخرج الغازات الأساسية المستخدمة في المصابيح، كمكونات للهواء، عادةً من خلال التقطير التجزيئي. تُستخدم هذه الغازات ليس فقط للتحكم في مختلف العمليات الفيزيائية والكيميائية، بل أيضًا لتوليد الضوء. أثناء تشغيل المصباح، تُعزز بيئة درجة الحرارة العالية التفاعل الكيميائي للعديد من مواده بشكل كبير، مما قد يؤدي إلى تلف شديد في هيكله. لتجنب ذلك، يجب حماية هيكل المصباح من خلال التحكم في الأكسدة والتآكل. ومن الطرق الشائعة استخدام غازات خاملة أو غير تفاعلية للحفاظ على بيئة العمل داخل المصباح.
تؤدي العمليات الفيزيائية، كالتبخر والرش، إلى تقصير عمر المكونات الأساسية كالخيوط والأقطاب الكهربائية. ومع ذلك، عند ملء المصباح بغاز خامل وكثافة غاز عالية بما يكفي، ينخفض ضرر هذه العمليات بشكل ملحوظ. في حين يمكن استخدام الكريبتون عالي الكثافة في بعض المصابيح المتوهجة لتقليل التوصيل الحراري ومنع تبخر خيوط التنغستن، مما يؤدي إلى إطالة عمر المصباح، يُستخدم الأرجون عادةً كغاز حشو في التطبيقات العملية.
تتمتع جزيئات النيتروجين بالقدرة على منع تكوّن أقواس كهربائية مدمرة بين المكونات ذات الجهد المختلف داخل المصباح؛ لذلك، عادةً ما يتكون غاز التعبئة للمصابيح من النيتروجين أو خليط منه والغازات الخاملة الأرجون والكريبتون. في مصابيح التفريغ الغازي، تُستخدم غازات أحادية الجزيء مثل الأرجون والنيون والزينون كغازات مساعدة لبدء التفريغ. علاوة على ذلك، تلعب غازات هاليد المعادن دورًا فريدًا في مصادر ضوء التفريغ الغازي.
نظراً لدرجات حرارة التشغيل العالية للغاية للمصابيح، فإن بعض مكوناتها الأساسية حساسة للغاية لكميات ضئيلة من الغازات المؤكسدة والمُضاف إليها الكربون، بما في ذلك الأكسجين، وأول أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، والهيدروكربونات، وبخار الماء. في معظم المصابيح، عادةً ما يكون محتوى هذه الغازات الضارة والشوائب خاضعاً لرقابة صارمة، ويُسمح له بأن لا يتجاوز بضعة أجزاء في المليون من إجمالي غاز التعبئة.
▣ مواد الحصول
أثناء تشغيل المصباح، تصل مكونات مثل السلك والأقطاب الكهربائية إلى درجات حرارة عالية جدًا. هذه المكونات حساسة للغاية للغازات المحيطة، وتتفاعل بسهولة مع الأكسجين المتبقي وبخار الماء والهيدروجين والهيدروكربونات، مما يؤثر على أداء المصباح. لذلك، يجب اتخاذ إجراءات لإزالة هذه الغازات المتبقية أو تقليلها. تعمل مواد الجيتَر على إزالة الغازات المتبقية من المصباح باستخدام مواد معدنية أو غير معدنية، مما يحافظ على أداء المصباح.
مادة التصفية هي مادة مصممة خصيصًا لإزالة الشوائب من غلاف أو أنبوب المصباح بعد إحكام غلقه. تُصنف مواد التصفية عمومًا إلى نوعين: مواد تصفية التبخير ومواد تصفية الحجم. تُستخدم مواد تصفية التبخير بعد إحكام غلق أجهزة التفريغ. تعمل هذه المواد عن طريق التسخين السريع أو التبخير الفوري للمعدن النشط، فتظهر على شكل طبقة رقيقة أو غشاء على مكونات مختارة لإزالة الغازات. أما مواد التصفية الحجمية، فغالبًا ما توضع داخل المصباح على شكل أسلاك معدنية، أو مكونات هيكلية، أو رواسب شبه سائبة. تمتص هذه المواد الغازات عند ارتفاع درجة حرارتها، وتبقى فعالة طوال عمر المصباح.
تشمل معادن الجلب الشائعة الاستخدام الباريوم، والتنتالوم، والتيتانيوم، والنيوبيوم، والزركونيوم، وسبائكها. بالإضافة إلى ذلك، يزيل الفوسفور، وهو عامل غير معدني مزيل للغازات، كميات ضئيلة من الأكسجين وبخار الماء من الغاز الخامل داخل المصباح بفعالية، ولذلك استُخدم على نطاق واسع منذ زمن طويل.
▣ الزجاج وزجاج الكوارتز
يمكن تقسيم الزجاج المُنتَج تجاريًا إلى ثلاث فئات رئيسية: سيليكات الصوديوم والكالسيوم، وسيليكات الرصاص والقلويات، وسيليكات البوروسيليكات. يُعدّ زجاج سيليكات الصوديوم والكالسيوم الأكثر استخدامًا في صناعة الإضاءة. ويعتمد اختيار نوع الزجاج على متطلبات درجة الحرارة، والحفاظ على إحكام الإغلاق، والأداء الكهربائي.
يُستخدم زجاج سيليكات الرصاص القلوي بشكل رئيسي في تصنيع المكونات الداخلية للمصابيح الكهربائية العادية وأنابيب الفلورسنت. أما بالنسبة لمصابيح الكشاف التقليدية ومصابيح التفريغ عالية الطاقة ذات درجات الحرارة التشغيلية العالية، فيُستخدم زجاج البوروسيليكات. يتميز زجاج الكوارتز بشفافية عالية، ومقاومة ممتازة للصدمات الحرارية، ويتحمل درجات الحرارة العالية، التي تصل إلى 900 درجة مئوية.
يُعدّ إحكام الغلق مؤشرًا أساسيًا عند اختيار مواد الزجاج للمصابيح. يجب أن يتمتع الزجاج بخاصية الإغلاق السلس للمعادن لضمان إحكام الغلق للمصباح واستقراره طويل الأمد. علاوة على ذلك، يجب أن تُلبي المقاومة الكهربائية، وثابت العزل الكهربائي، ومعامل فقدان العزل الكهربائي للزجاج معايير مُرضية لتلبية متطلبات الأداء الكهربائي.
▣ المواد الخزفية
في بيئات درجات الحرارة والضغط العاليين، يتآكل الزجاج المحتوي على السيليكا بسهولة بفعل أبخرة المعادن القلوية، مما يتطلب مواد مقاومة للتآكل الكيميائي. يُستخدم السيراميك لمقاومة درجات الحرارة والتآكل العالية، حيث يتميز بقوة ميكانيكية عالية وثبات حراري.
تُعد أنابيب الألومينا شبه الشفافة متعددة البلورات (تحليل المكونات الرئيسية) مكونًا أساسيًا في تصنيع مصابيح الصوديوم عالية الضغط (HPS). ورغم أن سمك جدارها لا يتجاوز 1 مم، إلا أن نفاذية الضوء المرئي فيها تتجاوز 90%. ويُستخدم السيراميك العادي غالبًا في صناعة حوامل وقواعد المصابيح، نظرًا لمتانته الميكانيكية الجيدة ومقاومته للصدمات الحرارية وعزله الكهربائي الممتاز في نطاق درجة حرارة التشغيل.
▣ مواد للتحكم في الإضاءة
تُعدّ العاكسات عناصر أساسية في التحكم بالضوء، وتنقسم إلى نوعين: الانعكاس المنتظم والانعكاس المرآوي. كما يُعدّ الانعكاس المنتشر طريقة انعكاس مهمة. عند اختيار مواد التحكم بالضوء، يجب مراعاة عوامل متعددة بعناية، بما في ذلك خصائصها البصرية، ومتانتها، ومقاومتها للحرارة، ومقاومتها للأشعة فوق البنفسجية.
تُعدّ الأغشية العاكسة للأشعة تحت الحمراء مادةً أساسيةً للتحكم في الضوء، إذ تُحسّن كفاءة المصابيح المتوهجة بشكل ملحوظ من خلال عكس طاقة الأشعة تحت الحمراء إلى خيوطها. كما تُستخدم تقنية تراكب الأكسيد متعدد الطبقات على نطاق واسع في تصنيع الأغشية العاكسة للأشعة تحت الحمراء، حيث تُطبّق على سطح أغلفة مصابيح الهالوجين بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار. وفي الوقت نفسه، تُستخدم تقنية غشاء مُرشّح التداخل متعدد الطبقات لتغيير لون الضوء. يُوازن اختيار المواد العاكسة بين الخصائص البصرية والميكانيكية والحرارية لتعزيز كفاءة المصابيح.