今天把强光探照灯的新型散热材料介绍给大家
一、导热塑料
导热塑料利用导热填料对高分子基本材料进行均匀填充，以提高其导热性能，在强光探照灯散热技术中得到广泛应用，导热性能的好坏主要用导热系数（单位：W/m.K）来衡量。一般而言，导热性能好的材料都是导电性能好的材料，反之导电性能差的塑料，其导热性能也较差，所以金属要比塑料的导热性能好。但是，最近国际上研发了多种导热塑料，其导热能力约为传统塑料的5~倍。这样的导热塑料大多以工程塑料和通用塑料为基材，在塑料中填充某些金属氧化物粉末、碳、纤维或陶瓷粉末而成。例如将聚苯硫醚与大颗粒氧化镁（40~目）相混合就可以制成一种绝缘性的导热塑料。其典型的热传导率范围为1~20W/(m·K),某些品级可以达到W/(m·K)。如果为了得到高导热率而添加过多的金属粉末,就会变成具有导电性。
导热塑料的导热性能是由其材料导热系数决定的。导热塑料的导热系数取决于塑料和导热填料的共同作用,分散于树脂中的导热填料有粒状、片状、纤维状等形状。当用量较小时,填料虽能均匀分散于树脂中,但彼此间尚不能形成接触和相互作用,因而此时材料的导热性提高不大;当填料用量提高到某一临界值时,填料间能相互接触和相互作用,使体系内形成了类似网状或链状的结构形态,即形成了导热网链,当导热网链的取向与热流方向一致时,材料导热性能提高很快;但若在热流方向上未形成导热网链时,则填料会在热流方向上造成很大的热阻,导致材料导热性能很差。因此为获得高导热聚合物复合材料，在体系内部形成最大程度的导热网链是提高其导热系数的关键。
与铝材料相比,导热塑料有较高的耐屈挠性和拉伸刚度,但抗冲击强度较差,而且其固有的低热膨胀系数可有效减少制件收缩。铝材料虽然作为散热系统技术方面已经比较成熟，但仍有一些不足，导热塑料相对铝来说存在以下优点：
(1)质量轻。在室内照明中,灯具的重量对多方面都有影响,比如重量增加会加大灯具的安装、运输难度,也会对人身安全造成隐患等。纯铝的密度为kg/m3,铝合金的密度将会更大,而导热塑料的密度为kg/m3左右,约为铝合金的一半,所以在外形相同的情况下,重量也仅为铝合金的一半左右。
(2)绝缘。不用担心因为灯的外壳导电而产生的安全隐患。在耐高压测试方面,塑料具有绝对的优势。
(3)可塑性强。铝壳的主要生产方法是压铸或拉伸成型,在生产过程中无法进行较复杂形状的加工。另外在表观效果来说,注塑产品会更加容易生产,还可以加上与其它企业不同的自身标志。效率更高塑料导热材料与其他塑料件一样,可以一次成型,无需后加工,而且在注塑成型时,模具可设计为一出四,所以工作效率很高。铝材料在挤出成型后往往还要有去毛边的程序,如果对外形的要求比较高的话,铝材料还要进行镀镍等工序,加工周期还将增长。
(4)成本低。就单价来说,单位质量的导热塑料价格必然是高于铝的,但系统成本却持平或较低,且数量越大,塑料的成本优势越明显。另外,塑料导热材料目前处于一个初级阶段,将来的价格随产业的发展和产品量的增加一定会降低,而铝作为有色金属的价格却不太可能有明显的降低。塑料降低成本主要体现在加工费用方面,这也就降低了成本的压力。
芬兰KruunutekniikkaOy公司在其最新专利CoolicsTM强光探照灯导热部件中,采用
Therma-TechTM导热塑料成功取代了铝合金。增加了设计的灵活性、降低了灯具总体重量,
再加上热塑性塑料的易加工性,达到提高生产效率的目标,这种新型塑料正越来越多地被
用于强光探照灯灯具的导热部件,包括灯座、冷却散热灯杯和外壳等。飞利浦公司和帝斯曼公司通过合作研发,飞利浦生产的MASTER强光探照灯MR16新式灯具成为了全球首例大功率强光探照灯应用,其铝质外壳被一种具有热传导性能的塑料StanylTC所取代。这种新型导热塑料在
保持一般塑料材料优点的基础上,增加了导热系数,使其导热系数达到一般塑料的10~50
倍,它所拥有的质量轻、更加环保和安全、提高设计自由度、加工方便、效率更高、启动
系统简化等优点是传统金属材料所不能比拟的。导热塑料已经成为强光探照灯灯具产业化进程中一个重要的原材料。
塑料可以制作强光探照灯部件,如外壳、散热器、基板、反射器、插件等。近几年米国际小
塑料公司研发出了多种导热塑料,大多选用工程塑料和通用塑料为基材,如PA、LCP
PET、PBT、PEEK、ABS、PP等。
二.陶瓷材料
人类对陶瓷材料的使用已有几千年了,现代技术制备的陶瓷材料有着绝缘性好、导热率高、红外辐射率大、膨胀系数低的特点,目前,陶瓷材料主要用于强光探照灯封装芯片的热沉材料、电路基板材料和灯具散热器材料。陶瓷材料是人类利用已久的绝缘材料,氧化铝陶瓷以其价格便宜、导热率高、辐射率大等特点逐步进入强光探照灯散热器市场,可望成为未来强光探照灯主流的二次散热材料。陶瓷密度约为3~4g/cm2,相对质量大,多用于小型室内照明灯具。陶瓷属于非金属材料,晶体结构中没有自由电子,具有优秀的绝缘性能。它的传热属于声子导热机理,当晶格完整无缺陷时,声子的平均自由程越大,热导率就越高。
陶瓷晶体材料的最大导热系数高达W/mK。在影响陶瓷材料导热率的诸多因素中,结构缺陷是主要的影响因素。在烧结的过程中,氧杂质进入陶瓷晶格中,伴随着空位、位错、反相畴界等结构缺陷,显着地降低了声子的平均自由程,导致热导率降低。现代陶瓷技术通过生成第二相,把氧固定在晶界上,减少了氧杂质进入晶格的可能性,随着晶界处的氧浓度大大降低,晶粒内部的氧自发扩散到晶界处,使晶粒基体内部的氧含量降低,缺陷的数量和种类减少,从而降低声子散射几率,增加声子的平均自由程。由于制备技术的不同,陶瓷材料的热导率也不一样。
强光探照灯灯具散热器用于将热量散发到周围的空间中,常采用氧化铝(Al2O3)陶瓷材料,氧化铝陶瓷价格便宜,技术成熟,采用压铸烧结技术,设计自由度大,价格较低,现阶段得到一定规模的应用。现代工艺制备的陶瓷材料导热率较高,空气自然对流下,完全可以充当强光探照灯照明灯具的散热材料。氮化铝陶瓷可以直接作为封装晶架或线路层;氧化铝陶瓷价格便宜,烧结技术成熟,可釉成不同颜色,由于其电绝缘性能优良,并耐酸碱性,受到
很多客户的青睐。但是,陶瓷材料并不是完美无瑕的,陶瓷散热器鳍片不能太薄(厚度≥
1.5mm),密度稍大(约为铝的1.5倍),中高应力下会产生裂纹,无釉表面容易污染等。总的来说,陶瓷材料用于强光探照灯的前景良好,特别适于体积较小的照明灯具。
三.纳米辐射散热材料
自然界中产生的辐射主要包括紫外线、可见光和红外线(~nm),前两者主要辐射能量,红外线才是辐射热量。如果要加速物体散热降温的速度,就要增加物体的红外辐射量,物体本身的辐射量是有限的,这样就要在物体表面覆盖一种材质,这种材质具有高辐射率、高发射率和高反射率,能辐射走的热量要比物体本身辐射走的热量快得多、大得多。
纳米辐射散热材料是一种辐射热量的涂料,采用高导热及热辐射纳米液,能够以8~13.5μm波长形式发射走所涂刷在物体上的热量,降低物体表面温度并以干膜层内的纳米空心陶瓷微珠组成的真空腔体群,形成有效的隔热屏障,从而达到降温隔热的效果。辐射降温涂料固化成膜后,首先涂膜表面形成良好的热反射界面,在较宽的频率范围内其热反射率达到60%~90%,而膜面吸收的热仅为10%~40%,涂层膜面将大部分的热以反射的形式挡在涂层外层。当膜面吸热蓄积升温的同时,吸热界面将向膜外空间辐射散热。由于基料的材质和膜层内结构的作用,膜面的热辐射发射率可达90%左右,能把膜面吸热蓄积的热能以辐射的方式发射出去。
四.石墨烯散热材料
石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在,直至年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯,而证实它可以单独存在。
石墨烯是传统石墨材料中层状结构中的一层或几层,它是由碳原子组成的具有六边形点阵的规则网络结构。这种规则的二维平面网络结构,显示出了非常奇特的物理性能,并预示了若干重要的应用前景。由于石墨烯具有高透光率(透光率为97.7%)、高热导率、高电导率、强度大等优良特性,利用这些特性人们已经制备了多种电子元器件。
五.铝碳化硅散热材料
把陶瓷采用高科技的手段跟铝合金合起来的复合材料——铝碳化硅。它是一种颗粒增
强金属基复合材料,采用AI合金作基体,按设计要求,以一定形式、比例和分布状态,用
SiC颗粒作增强体,构成有明显界面的多组相复合材料,兼具单一金属不具备的综合优越
性能。通过改变SiC的含量,可以对AISiC材料的机械性能和热性能进行调整(即其性能
是可裁剪的),包括热膨胀系数、热导率、硬度、扭曲和抗张强度。
在以往,电子工业中的导热和结构方面的问题都是单独依靠金属或者陶瓷来解决,经常影响产品的性能和限制设计方案。铝碳化硅材料为解决这些问题提供了一条全新的思路。
AISiC材料可以满足各种各样的性能和设计要求,提高系统的整体可靠性。
六.声子散热材料
强光探照灯散热是声子、热子、光子、磁子热能量量子(准粒子)综合运动的结果。其中声
子是以准谐振方式(波的形式)进行散热主运动,是在物质内部典型的微运动。声子运动
频率越快,与介质交换的速度越快,散热效率越高。根据以上原理,我们利用纯铝为基材,
采用量子调控技术,加入热运动简谐振动频率高的声子晶体材料,并加入扼制非同谐运动
的声子材料,制成比热容高,热平衡速度快,与空气热交换频率高的高效散热材料。
在强光探照灯芯片工作时,产生的热能会转换成电磁能向空间辐射散热。同时可用技术手段
加速热流运动的频率,就像加速电流运动频率一样,对强光探照灯芯片进行主动散热。由于热能转换电磁波频域宽,热上升平衡时间与断热下降平衡时间短,为5~6分钟,而传统铝为30~40分钟,因此散热速度快,靠近热源端温度低于远离物源端5~10℃。
七.热磁散热材料
热子是热能近距离向空间(或介质)辐射散热的主要方式,其表现形式为宏观,是声子将其运动到表面区域,使更多的热能积聚在物质表面。在传热表面附着热发射率高物质,能加速热子向空间发射。由于热声子运动频率加快,引发除光子以外的电磁运动,也就是热能转成电磁波向空间幅射。
很多物质在特定环境下内部结构的排列顺序会发生变化,例如铁在磁场环境下可以有序排列,形成N极和S极,而热磁子材料在热场环境下也能够顺序排列,形成热极和冷极。
在电流通过导线时,导线的周围会形成螺旋磁场。同样,在热流通过条形热磁子材料时,条形热磁子材料的周围也会形成螺旋形的热场,在螺旋热场作用下形成热气流动,我们称之为热场气流。热场气流与冷空气形成主动交换,达到散热的目的,因此,热磁子散热器属于动态散热类别。
与传统散热器对比:强光探照灯散热器应用热磁散热材料、磁冷散热材料,可以实现W的强光探照灯光源散热器重量小于2kg,减少金属重量5~10倍,温升小于20度,使强光探照灯真正成为温度低、寿命长、成本低、用得起的新型光源。
热磁散热材料有如下特点:
材料合成简单:在铜、铝等散热材料中加入微量的热磁子添加剂,即可制成热磁子散热材料。由于添加剂中主要成分的比重与纯铝比较接近,熔点均低于℃,因此材料的合成非常简单。
动态散热:热磁子散热器属于动态散热类别,与冷空气的交换能力非常强。散热效果比普通的铜、铝制散热器效果好很多。
生产效率高:热磁子散热器采用添加热磁子材料的板材冲压制造,生产效率非常高,比压铸、挤压后再切削等散热器制造工艺提高生产效率数十倍。
成本低:热磁子散热器的材料成本比普通铝材的成本略低,同时又具备了重量轻、耗材少、加工效率高等特点,因此,散热器的总成本大大低于普通铝制散热器。
传热层与散热层、散热体相结合的板式散热器,将强光探照灯直接用SMD方法固晶在板式散热器上面,开强光探照灯封装先河,较好地解决了强光探照灯发热、成本高、安装困难等世界级难题,世界照明将正式步入强光探照灯照明时代。