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LED照明的發(fā)展

人一直是追求光明的。照明發(fā)展史是人類文明發(fā)展史的縮影，這是一部人類不斷的克服自然困難追尋光明的歷史。從最開始的收集雷火到用電照明，人類的照明手段不斷進(jìn)化。1968年，LED光源推出標(biāo)志著人類照明史上的又一次重大革命的開始。由于LED具有體積小、發(fā)光效率高、能耗低、亮度高、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，各國(guó)政府加大對(duì)LED研發(fā)的資金資助和相應(yīng)政策支持。在過(guò)去十年中，LED技術(shù)得到了快速發(fā)展。目前LED已在廣告媒體視頻屏幕、汽車車燈、背光光源、標(biāo)識(shí)與指示性照明、景觀照明、室內(nèi)照明領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

LED照明散熱器

目前光電轉(zhuǎn)化效率最高的LED輸入功率中有20-30%的能量會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行д彰?，余?/span>70～80%的電能均轉(zhuǎn)變成熱。如果不能將集中在微小尺寸的芯片內(nèi)的熱量及時(shí)散逸出去，則會(huì)導(dǎo)致芯片溫度升高和應(yīng)力分布不均勻。當(dāng)LED的結(jié)點(diǎn)溫度超過(guò)器件能承受的最高溫度時(shí)，LED的光輸出特性將會(huì)永久性的衰減。所以LED照明中散熱問(wèn)題一直困擾著LED工業(yè)的發(fā)展，各式各樣的散熱器成為LED芯片的標(biāo)配。

一直以來(lái)散熱器多由鋁制備而成，但鋁制散熱器一直存在著一些缺陷，如重量大，后加工處理繁雜，加工過(guò)程污染，導(dǎo)電等。所以一直以來(lái)LED行業(yè)一直在尋求用新材料代替鋁制散熱器。近幾年導(dǎo)熱塑料的出現(xiàn)在一定程度上彌補(bǔ)了上訴缺點(diǎn)，從而逐步在散熱器領(lǐng)域展開深度應(yīng)用。

導(dǎo)熱塑料

塑料自19世紀(jì)60年代出現(xiàn)以來(lái)，由于有著種類多，特性突出，質(zhì)輕，價(jià)廉，易加工等優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代了木材、陶瓷、象牙、金屬等材料，越來(lái)越多的進(jìn)入到人們的生產(chǎn)生活中。但受結(jié)構(gòu)特性限制，塑料的熱導(dǎo)率普遍只有0.2W/（m·K）左右，所以一直以來(lái)塑料多用在絕熱領(lǐng)域，直到近年來(lái)隨著導(dǎo)熱塑料的涌現(xiàn)才開始在散熱領(lǐng)域有所突破。

目前提高塑料導(dǎo)熱性能的途徑有兩種：一種是通過(guò)改變分子和鏈節(jié)結(jié)構(gòu)，或者通過(guò)外力的作用改變分子和分子鏈的排列來(lái)獲得特殊物理結(jié)構(gòu)，從而提高材料的導(dǎo)熱性能。這種方法成本高，方法復(fù)雜所以并不常用。第二種也是現(xiàn)今采用最廣泛的得到導(dǎo)熱塑料的方法是通過(guò)高導(dǎo)熱材料對(duì)聚合物進(jìn)行填充，制備導(dǎo)熱填料/聚合物復(fù)合材料。

可以用作導(dǎo)熱填料的粒子包括：(1)金屬粉末填料；(2)金屬氧化物；(3)金屬氮化物；(4)無(wú)機(jī)非金屬。這類導(dǎo)熱粒子在填充到聚合物基體中，通過(guò)微粒與微粒間的接觸會(huì)形成一個(gè)三維網(wǎng)絡(luò)，熱量就可以沿著網(wǎng)絡(luò)快速傳遞。這一特性決定了填充型導(dǎo)熱塑料必須加入大量填料才能形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)而顯示出良好的導(dǎo)熱性能，但與此同時(shí)，大量填料的加入也導(dǎo)致了導(dǎo)熱塑料的力學(xué)性能降低。所以目前填充型導(dǎo)熱塑料大量的研究工作聚焦于較少損失力學(xué)性能的情況下提升材料的熱導(dǎo)率，尋求力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能的平衡。

許多國(guó)際知名公司如帝斯曼、塞拉尼斯、杜邦等都有其自己的復(fù)合導(dǎo)熱塑料系列，這些產(chǎn)品大多選用工程塑料和通用塑料為基材，如PA、LCP、PPS、PET、PBT、PEEK、ABS、PP等。國(guó)內(nèi)的塑料改性企業(yè)在這一方面也有所涉獵，并不斷取得突破，如杭州本松新材擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的的高導(dǎo)熱碳素材料在導(dǎo)熱性能、力學(xué)性能及成本上都領(lǐng)先于同類國(guó)外產(chǎn)品。

導(dǎo)熱塑料在LED照明散熱領(lǐng)域的應(yīng)用

由導(dǎo)熱塑料制造的LED照明散熱器相比于傳統(tǒng)的鋁制散熱器有著以下優(yōu)點(diǎn)： 

（1）密度小

鋁的密度為2700kg/m3，而導(dǎo)熱塑料的密度大多小于2000 kg/m3 。這就意味著外形一樣的散熱器，導(dǎo)熱塑料散熱器重量更輕。而LED照明燈具的重量對(duì)其的運(yùn)輸、安裝及跌落隱患都有很大的影響。顯然更輕的散熱器再各方面都更有優(yōu)勢(shì)。

（2）提高設(shè)計(jì)自由度

鋁殼的主要生產(chǎn)方法是壓鑄或拉伸成型，在生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)法進(jìn)行較復(fù)雜形狀的加工。相對(duì)的塑料的流動(dòng)性更好，可以設(shè)計(jì)出更復(fù)雜更薄的形狀。

（3）加工方便，效率更高

塑料導(dǎo)熱材料與其他塑料件一樣，可以一次成型，無(wú)需后加工，而且在注塑成型時(shí)，模具可設(shè)計(jì)為一出多，所以工作效率很高。鋁材料在擠出成型后往往還要有去毛邊的程序，如果對(duì)外形的要求比較高的話，鋁材料還要進(jìn)行鍍鎳等工序，加工周期還將增長(zhǎng)。

（4）更加環(huán)保和安全

在塑料外殼的生產(chǎn)過(guò)程中，幾乎不會(huì)產(chǎn)生什么有毒污染，而鋁殼在生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)有電鍍的工序，而電鍍產(chǎn)生的廢液中的金屬會(huì)對(duì)水源和土壤造成嚴(yán)重的污染。

（5）簡(jiǎn)化啟動(dòng)

對(duì)于如球泡燈之類外殼散熱的LED照明系統(tǒng)，當(dāng)外殼為鋁合金時(shí)，由于外殼導(dǎo)電，內(nèi)部必須采用隔離啟動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)絕緣導(dǎo)熱塑料做外殼時(shí)就可以采用非隔離啟動(dòng)系統(tǒng)，這種啟動(dòng)相對(duì)于原本帶隔離系統(tǒng)的啟動(dòng)方式來(lái)說(shuō)不僅成本較低而且體積較小，這樣不僅可以降低成本而且所占空間會(huì)更小。

（6）降低系統(tǒng)成本

作為一種新材料，單位質(zhì)量的導(dǎo)熱塑料價(jià)格目前是高于鋁的，但作為整個(gè)散熱系統(tǒng)成本卻并不僅限于材料成本，還包括加工后處理及包裝運(yùn)輸?shù)?。綜合起來(lái)導(dǎo)熱塑料散熱器的綜合成本相較于鋁制散熱器是有明顯優(yōu)勢(shì)，且數(shù)量越大，塑料的成本優(yōu)勢(shì)越明顯。另外，塑料導(dǎo)熱材料目前處于一個(gè)初級(jí)階段，將來(lái)的價(jià)格隨產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和產(chǎn)品量的增加一定會(huì)降低，而鋁作為有色金屬的價(jià)格卻不太可能有明顯的降低。

應(yīng)用實(shí)例

LED球泡燈外殼

用塑料代替鋁做LED燈具外殼，首先要注意選用的塑料要有良好的絕緣性能，同時(shí)要求較高的散熱性能，此外必須具有高熔點(diǎn)、高模量和高強(qiáng)度，并能經(jīng)受多次高低溫循環(huán)試驗(yàn)。這是因?yàn)闊艟咄鈿げ](méi)有散熱翅片，為減少殼體熱阻，要求薄壁殼體，這對(duì)材料的流動(dòng)性提出了極高的要求。目前多數(shù)球泡燈采用塑包鋁的形式，即在鋁燈殼的外部注塑包覆一層導(dǎo)熱塑料，LED芯片產(chǎn)生的熱量首先通過(guò)鋁殼擴(kuò)散到整個(gè)燈體，而外覆導(dǎo)熱材料既起到的絕緣保護(hù)又起到了將熱量散發(fā)到環(huán)境中的作用。總的來(lái)說(shuō)應(yīng)用于球泡燈的這類絕緣導(dǎo)熱材料受限于成本及導(dǎo)熱機(jī)理，材料的導(dǎo)熱系數(shù)多局限于1W/m·k以下，技術(shù)含量不高。目前在這一領(lǐng)域的導(dǎo)熱塑料廠家包括廣東偉的、杭州本松、江蘇納諾等。

LED車燈散熱器

近年來(lái)LED車燈逐步取代傳統(tǒng)的鹵素?zé)艉碗瘹鉄舫蔀橹髁?。與民用的LED照明相比，LED車燈的單顆LED芯片功率更大，熱流密度更大，散熱要求更苛刻，而狹小的發(fā)動(dòng)機(jī)艙決定了車燈LED散熱器更加注重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和重量。早先年導(dǎo)熱材料由于導(dǎo)熱系數(shù)無(wú)法達(dá)到散熱的苛刻要求，LED車燈領(lǐng)域一直采用鋁制散熱器，但近年來(lái)隨著塞拉尼斯，杜邦等公司開發(fā)出高熱導(dǎo)率的導(dǎo)熱塑料，用這類塑料制造的LED車燈散熱器也開始應(yīng)用于標(biāo)致5008、福特野馬GT350等車型上。國(guó)內(nèi)各個(gè)車燈廠在早先年也接觸過(guò)類似材料，但由于價(jià)格高企，力學(xué)性能無(wú)法滿足車規(guī)要求等因素而未能推廣開。近年來(lái)國(guó)內(nèi)的杭州本松新材推出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的A190G6 TD系列高導(dǎo)熱尼龍材料，其綜合熱導(dǎo)率能達(dá)到20W/m·K以上，在導(dǎo)熱能力、力學(xué)性能上都超過(guò)國(guó)外的同類產(chǎn)品且成本大幅下降，從而重新引發(fā)了各家燈廠采用導(dǎo)熱塑料的興趣。目前本松新材正與華域視覺(jué)、海拉車燈、星宇車燈等頭部車燈企業(yè)展開合作，以期大規(guī)模推廣國(guó)產(chǎn)LED車燈導(dǎo)熱塑料散熱器。

LED工業(yè)照明散熱器

LED工業(yè)照明燈具的特點(diǎn)是單顆芯片功率小，照明總功率大，動(dòng)輒100-200W的照明功率決定與之相配套的散熱器體積巨大。這種情況下采用高熱導(dǎo)率的導(dǎo)熱塑料取代原先的鋁制散熱器可以有效減輕燈具質(zhì)量，節(jié)省制造費(fèi)用。同樣的由于總發(fā)熱量的提高，及散熱器大體積帶來(lái)的注塑工藝復(fù)雜化，對(duì)于用于這類散熱器的導(dǎo)熱材料在導(dǎo)熱能力、力學(xué)性能、流動(dòng)性等方面有很高的技術(shù)要求。同樣以本松新材的A190G6 TD系列為例，通過(guò)調(diào)整高導(dǎo)熱材料的熱導(dǎo)系數(shù)及流動(dòng)性，可以將不同類別的高導(dǎo)熱塑料應(yīng)用于路燈模組、工礦燈、投光燈等LED工業(yè)照明散熱器。

相信隨著技術(shù)的發(fā)展會(huì)制備出性能更好的導(dǎo)熱塑料，除了應(yīng)用于LED等燈具上，能夠更廣泛的應(yīng)用于電子電器等其他產(chǎn)品上。