Aperçu des matériaux d'éclairage de base
Le développement de l'éclairage moderne est indissociable de l'évolution et de l'innovation des matériaux de base. Des matériaux traditionnels initiaux aux nouveaux matériaux largement utilisés aujourd'hui, l'application scientifique des matériaux d'éclairage a considérablement amélioré les performances et la durée de vie des luminaires. Ces matériaux présentent des propriétés supérieures à différentes températures et dans diverses conditions d'utilisation, constituant ainsi un moteur essentiel des progrès technologiques en matière d'éclairage.
▣ Classification des matériaux
▣ Matériaux de remplissage et d'étanchéité
Dans les régions à basse température (< 140 °C), on utilise couramment des matériaux traditionnels comme les résines indigo, le caoutchouc néoprène, la mousse EPDM et la mousse de polyuréthane moulée par injection. En revanche, pour les régions à haute température (≥ 200 °C), il est nécessaire d'utiliser des résines de silicone extrudées, moulées ou découpées. Ces dernières années, les procédés de moulage par injection ont constitué une innovation majeure, permettant la réalisation de joints sans soudure et de haute qualité. Des charges traditionnelles et nouvelles sont utilisées selon la plage de températures afin d'assurer l'étanchéité et la liaison mécanique.
Durant toute la durée de vie de la lampe, le mastic de fixation du culot doit assurer une liaison mécanique fiable, compte tenu des différents coefficients de dilatation thermique et des matériaux utilisés. Le matériau servant à fixer le culot métallique à l'ampoule en verre est généralement un mélange d'environ 90 % de poudre de marbre et de résines phénoliques, naturelles et siliconées. Pour fixer le culot en céramique au corps de lampe en silice fondue, une pâte à braser à point de fusion plus élevé est nécessaire ; son composant principal est un mélange de silice et de liants inorganiques tels que le silicate de sodium.
▣ Gaz Les principaux gaz utilisés dans les lampes, composants de l'air, sont généralement obtenus par distillation fractionnée. Ces gaz servent non seulement à contrôler divers processus physico-chimiques, mais aussi à produire de la lumière. Lors du fonctionnement d'une lampe, la température élevée accroît considérablement la réactivité chimique de nombreux matériaux, ce qui peut entraîner des dommages importants à sa structure. Pour éviter cela, il est indispensable de protéger la structure de la lampe en contrôlant l'oxydation et la corrosion. Une méthode courante consiste à utiliser des gaz inertes ou non réactifs pour maintenir un environnement de travail stable à l'intérieur de la lampe.
Des phénomènes physiques tels que l'évaporation et la pulvérisation cathodique réduisent la durée de vie de composants essentiels comme le filament et les électrodes. Cependant, lorsque la lampe est remplie d'un gaz inerte à densité suffisamment élevée, la nocivité de ces phénomènes est considérablement réduite. Si le krypton à haute densité peut être utilisé dans certaines lampes à incandescence pour limiter la conduction thermique et freiner l'évaporation du filament de tungstène, prolongeant ainsi la durée de vie de la lampe, l'argon est généralement employé comme gaz de remplissage dans les applications pratiques.
Les molécules d'azote ont la capacité d'empêcher la formation d'arcs électriques destructeurs entre les composants de potentiels différents au sein de la lampe ; c'est pourquoi le gaz de remplissage des lampes est généralement composé d'azote ou d'un mélange d'azote et des gaz inertes argon et krypton. Dans les lampes à décharge gazeuse, des gaz monomoléculaires tels que l'argon, le néon et le xénon sont utilisés comme gaz auxiliaires pour l'amorçage de la décharge. Par ailleurs, les halogénures métalliques jouent également un rôle important dans les sources lumineuses à décharge gazeuse.
En raison des températures de fonctionnement extrêmement élevées des lampes, certains composants critiques sont très sensibles aux traces de gaz oxydants et de gaz carbonés, notamment l'oxygène, le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone, les hydrocarbures et la vapeur d'eau. Dans la plupart des lampes, la teneur en ces impuretés gazeuses nocives est généralement strictement contrôlée et ne dépasse pas quelques parties par million par rapport à la teneur totale en gaz de remplissage.
▣ Matériaux Getter
Lors du fonctionnement d'une ampoule, des composants tels que le filament et les électrodes atteignent des températures extrêmement élevées. Ces composants sont très sensibles aux gaz environnants et réagissent facilement avec l'oxygène résiduel, la vapeur d'eau, l'hydrogène et les hydrocarbures, ce qui affecte les performances de l'ampoule. Il est donc nécessaire de prendre des mesures pour éliminer ou réduire ces gaz résiduels. Les matériaux absorbeurs de gaz (getters) éliminent ces gaz résiduels de l'ampoule grâce à des matériaux métalliques ou non métalliques, préservant ainsi les performances de l'ampoule.
Un getter est un matériau conçu spécifiquement pour éliminer les impuretés de l'enveloppe ou du tube d'une ampoule après son scellage. On distingue généralement deux types de getters : les getters à vaporisation et les getters volumiques. Les getters à vaporisation sont utilisés après le scellage des dispositifs sous vide. Leur action repose sur le chauffage rapide ou la vaporisation instantanée d'un métal actif, qui se présente sous forme de dépôt ou de film mince sur certains composants afin d'éliminer les gaz. Les getters volumiques, quant à eux, sont souvent placés à l'intérieur de l'ampoule sous forme de fils métalliques, d'éléments structurels ou de dépôts semi-libres. Ils absorbent les gaz lorsque la température augmente et restent efficaces pendant toute la durée de vie de l'ampoule.
Les métaux getter couramment utilisés comprennent le baryum, le tantale, le titane, le niobium, le zirconium et leurs alliages. De plus, le phosphore, agent non métallique d'élimination des gaz, élimine efficacement les traces d'oxygène et de vapeur d'eau présentes dans le gaz inerte contenu dans l'ampoule et est donc utilisé depuis longtemps.
▣ Verre et verre de quartz
Le verre produit industriellement se divise en trois grandes catégories : le silicate de sodium et de calcium, le silicate de plomb et d’alcali, et le borosilicate. Le silicate de sodium et de calcium est le plus couramment utilisé dans l’industrie de l’éclairage. Le choix du type de verre dépend des exigences en matière de température, d’étanchéité et de performances électriques.
Le verre silico-alcalin au plomb est principalement utilisé pour la fabrication des composants internes des ampoules et tubes fluorescents ordinaires. Pour les projecteurs classiques et les lampes à décharge haute puissance fonctionnant à des températures plus élevées, on utilise du verre borosilicaté. Le verre de quartz présente une transparence élevée, une excellente résistance aux chocs thermiques et supporte des environnements à haute température, jusqu'à 900 °C.
L'étanchéité est un critère essentiel dans le choix du verre pour les lampes. Ce verre doit permettre une étanchéité parfaite avec les métaux afin de garantir l'étanchéité de l'ampoule et sa stabilité à long terme. De plus, sa résistivité, sa constante diélectrique et ses pertes diélectriques doivent répondre aux normes requises pour satisfaire aux exigences de performance électrique.
▣ Matériaux céramiques
Dans des environnements à haute température et haute pression, le verre contenant de la silice est facilement corrodé par les vapeurs de métaux alcalins, ce qui exige des matériaux résistants à la corrosion chimique. Les céramiques sont utilisées pour leur résistance aux hautes températures et à la corrosion, grâce à leur haute résistance mécanique et leur stabilité thermique.
Les tubes en alumine polycristalline semi-transparente (PCA) sont un composant essentiel à la fabrication des lampes à sodium haute pression (HPS). Malgré une épaisseur de paroi de seulement 1 mm, ils atteignent une transmittance totale de la lumière visible supérieure à 90 %. Les céramiques ordinaires, grâce à leur bonne résistance mécanique, leur résistance aux chocs thermiques et leur excellente isolation électrique sur toute la plage de températures de fonctionnement, sont souvent utilisées pour fabriquer les douilles et les supports de lampes.
▣ Matériaux pour le contrôle de la lumière
Les réflecteurs sont des éléments clés du contrôle de la lumière et se divisent en deux catégories : la réflexion régulière et la réflexion spéculaire. La réflexion diffuse est également une méthode de réflexion importante. Lors du choix des matériaux de contrôle de la lumière, il est essentiel de prendre en compte divers facteurs, notamment les propriétés optiques du matériau, sa résistance mécanique, sa ténacité, sa résistance à la chaleur et sa résistance aux rayonnements ultraviolets.
Les films réfléchissants infrarouges sont un matériau essentiel pour le contrôle de la lumière. Ils améliorent considérablement le rendement des lampes à incandescence en réfléchissant l'énergie infrarouge vers le filament. La technologie de dépôt de couches d'oxyde multicouches est également largement utilisée dans la fabrication de ces films, appliqués par dépôt chimique en phase vapeur sur la surface des boîtiers de lampes halogènes. Parallèlement, la technologie des films filtrants interférentiels multicouches est employée pour modifier la couleur de la lumière. Le choix des matériaux réfléchissants repose sur un équilibre entre leurs propriétés optiques, mécaniques et thermiques afin d'optimiser le rendement des lampes.