散熱塑料在LED筒燈/球泡的應用

　　一：概述

　　傳統(tǒng)導熱材料多為金屬和金屬氧化物，以及其他非金屬材料，如石墨、炭黑、A1N、SiC等。隨著科學技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展，許多產(chǎn)品對導熱材料提出了更高要求，希望其具有更加優(yōu)良的綜合性能，質(zhì)輕、耐化學腐蝕性強、電絕緣性優(yōu)異、耐沖擊、加工成型簡便等。導熱絕緣聚合物復合材料因其優(yōu)異的綜合性能越來越多得到廣泛應用。

　　但是由于高分子材料多為熱的不良導體，限制了它在導熱方面的應用，因而開發(fā)具有良好導熱性能的新型高分子材料，成為現(xiàn)在導熱材料的重要發(fā)展方向。特別是近年來，隨著大功率電子、電氣產(chǎn)品的快速發(fā)展，必然會出現(xiàn)越來越多的由于產(chǎn)品發(fā)熱，導致產(chǎn)品功效降低，使用壽命縮短等問題。有資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，其可靠性下降10％；50℃時的壽命只有25 ℃時的1／6 。

　　導熱填料主要分為兩種：一種是導熱絕緣填料，如金屬氧化物填料、金屬氮化物填料等。另一種是導熱非絕緣填料，如炭基填料和各種金屬填料等。前者主要用于電子元器件封裝材料等對電絕緣性能有較高要求的場合，后者則主要用于化工設備的換熱器等對電絕緣性能要求較低的場合。填料的類型、粒徑大小及分布、填充量和填料與基體間的界面性能對復合材料的熱導率都有影響。

　　導熱塑料使用的基體聚合物主要有：PA(尼龍)，F(xiàn)EP（全氟聚丙烯），PPS,PP,PI 環(huán)氧樹脂,POM,PS 及PS與PE復合材料等。

　　聚合物基導熱復合材料的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：聚合物基導熱復合材料是通過添加導熱填料來提高高分子材料的導熱性能。一般是以高分子聚合物(如聚烯烴、環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺、聚四氟乙烯等)為基體，較好導熱性能的金屬氧化物如A1203、MgO，導熱及絕緣性能良好的金屬氮化物AIN、BN，以及高熱導率的金屬材料如Cu、AI等為導熱填料，進行二相或多相體系的復合。目前歐洲和日本及美國都有公司報道有成熟產(chǎn)品在推廣使用。例如：荷蘭皇家帝斯曼集團工程塑料推出了21世紀以來的第一種新型聚合物：Stanyl®TC系列導熱塑料可用于LED; 成為向LED照明應用的塑料散熱管理解決方案的全球領先供應商。美國先進陶瓷公司和EPIC公司開發(fā)出熱導率達20.35W／(m•K)的BN／聚丁烯(PB)復合工程塑料，可用普通工藝如模壓成型制備而得，主要可用于電子封裝、集成電路板、電子控制元件、計算機殼體等。

　　國內(nèi)利用模壓法制備了氮化鋁環(huán)氧樹脂(EP)導熱復合材料，AIN含量、粒徑、硅烷偶聯(lián)劑及加工工藝對體系導熱性能的影響。研究表明，隨著A1N含量、粒徑的增加，體系的導熱性能不斷提高；偶聯(lián)劑的加入增強了AIN和環(huán)氧樹脂的界面粘結(jié)性能，減小了界面間的熱阻，從而有利于體系導熱性能的提高。當AIN粒徑為5．3微米含量為67v01％時，AIN／EP導熱復合材料的熱導率為14W／(m•K)。

　　二：導熱機理

　　導熱高分子材料的導熱性能最終由高分子基體、導熱填料以及它們之間的相互作用來共同決定。高分子基體中基本上沒有熱傳遞所需要的均一致密的有序晶體結(jié)構(gòu)或載荷子，導熱性能相對較差。作為導熱填料來講，其無論以粒狀、片狀、還是纖維狀存在，導熱性能都比高分子基體本身要高。當導熱填料的填充量很小時，導熱填料之間不能形成真正的接觸和相互作用，這對高分子材料導熱性能的提高幾乎沒有意義；只有當高分子基體中，導熱填料的填充量達到某一臨界值時，導熱填料之間才有真正意義上的相互作用，體系中才能形成類似網(wǎng)狀或鏈狀的形態(tài)一即導熱網(wǎng)鏈。當導熱網(wǎng)鏈的取向與熱流方向一致時，導熱性能提高很快；體系中在熱流方向上未形成導熱網(wǎng)鏈時，會造成熱流方向上熱阻很大，導熱性能很差。因此，如何在體系內(nèi)最大程度地在熱流方向上形成導熱網(wǎng)鏈成為提高導熱高分子材料導熱性能的關(guān)鍵所在。

　　導熱理論模型：目前，導熱膠黏劑的研究主要集中在填充型導熱膠黏劑的研究上，結(jié)構(gòu)型導熱膠黏劑的研究還鮮有報道。許多研究者曾提出各種模型對填充導熱材料的熱導率進行預測，但理論模型所討論的填充量一般集中在低填充或中等填充(體積分數(shù)10％ ～30％)上，而很少提及在高填充及超高填充下的理論值與實驗結(jié)果的相符合的情況。Agari Y 』提出了適用于高填充及超高填充量的理論模型。該理論模型認為：在填充聚合物體系中，若所有填充粒子聚集形成的傳導塊與聚合物傳導塊在熱流方向上是平行的，則復合材料導熱率最高；若與熱流方向相垂直，則復合材料的導熱率為最低。該理論模型充分考慮了粒子對復合材料熱性能的影響，并假定粒子的分散狀態(tài)是均勻的，從而得到了理論等式。其表達式為：A=VfC21g),2+ (1一 )lg(c1A1)

　　式中，A為復合材料的導熱系數(shù)，A 和A 分別為聚合物和填料的導熱系數(shù)， 為填料的體積分數(shù)，c 為影響結(jié)晶度和聚合物結(jié)晶尺寸的因子，C為形成粒子導熱鏈的自由因子。c越接近1，粒子就越容易形成導熱鏈，其對復合材料導熱性能影響也越大。其在后來的研究中發(fā)現(xiàn)：在低填充至超高填充范圍內(nèi)Maxwell-Eucken，Bruggeman，Cheng-Vochen以及Nielsen的理論模型與其它的理論模型相比較，其理論曲線與實驗數(shù)據(jù)基本相符，其它幾種理論模型與實驗數(shù)據(jù)都有一定的偏差。

　　三：本文研究的目的

　　目前國內(nèi)外功率型LED行業(yè)燈具普遍使用鑄鋁作為外殼散熱材料，使用散熱塑料外殼可節(jié)約大量能源和提高生產(chǎn)效率，對于降低LED產(chǎn)品成本具有極為現(xiàn)實的經(jīng)濟意義。使用塑料后還能極大地拓展燈具工程師開發(fā)產(chǎn)品的靈和性和創(chuàng)造性，設計更加輕便、美觀的產(chǎn)品以便更快的向大眾消費者推廣。我們基于廣泛研究的基礎上提出使用散熱塑料通過模具生產(chǎn)8瓦、10瓦LED筒燈底座，檢查產(chǎn)品各個部位的溫度是否合符要求來檢驗散熱塑料是否合格，以便大批量生產(chǎn)。

　　四：結(jié)果測試

　　本文使用自行研制的散熱材料制作8瓦、10瓦LED筒燈底座取代原先使用的鑄鋁底座制作成8瓦、10瓦LED筒燈低座，按照標準IEC60598 12.4使用多路溫升測試儀測試燈杯各點溫度。

　　圖片：

　　測試結(jié)果：

　　1：8瓦LED筒燈溫度測試：

　　測試記錄

　　1、測試條件及要求：樣品通電（220V/50Hz）待溫度穩(wěn)定后記錄各點最高的溫度，要求不超過溫度限值

　　2、標準條款：IEC60598   12.4

　　3、測試儀器：多路溫升測試儀

　　最高溫差3.4度

　　2：10瓦LED筒燈溫度測試：

　　最高溫差5.1度

　　四：結(jié)果分析

　　從兩種不同瓦數(shù)的筒燈測試結(jié)果看，我們用自制的散熱材料生產(chǎn)的筒燈與用鑄鋁外殼的生產(chǎn)的筒燈在各個測試點的溫度相差不大，最高溫差不超過6度，全部測試點的溫度都低于極限溫度，都能使用。從而達到了用散熱塑料代替鑄鋁來生產(chǎn)LED筒燈的目的。