散熱塑料在LED筒燈/球泡的應(yīng)用

一：概述

傳統(tǒng)導(dǎo)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(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展，許多產(chǎn)品對(duì)導(dǎo)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(xué)腐蝕性強(qiáng)、電絕緣性優(yōu)異、耐沖擊、加工成型簡(jiǎn)便等。導(dǎo)熱絕緣聚合物復(fù)合材料因其優(yōu)異的綜合性能越來越多得到廣泛應(yīng)用。

但是由于高分子材料多為熱的不良導(dǎo)體，限制了它在導(dǎo)熱方面的應(yīng)用，因而開發(fā)具有良好導(dǎo)熱性能的新型高分子材料，成為現(xiàn)在導(dǎo)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(huì)出現(xiàn)越來越多的由于產(chǎn)品發(fā)熱，導(dǎo)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(shí)的壽命只有25 ℃時(shí)的1／6 。

導(dǎo)熱填料主要分為兩種：一種是導(dǎo)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(dǎo)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(duì)電絕緣性能有較高要求的場(chǎng)合，后者則主要用于化工設(shè)備的換熱器等對(duì)電絕緣性能要求較低的場(chǎng)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(duì)復(fù)合材料的熱導(dǎo)率都有影響。

導(dǎo)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(fù)合材料等。

聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀：聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料是通過添加導(dǎo)熱填料來提高高分子材料的導(dǎo)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(dǎo)熱性能的金屬氧化物如A1203、MgO，導(dǎo)熱及絕緣性能良好的金屬氮化物AIN、BN，以及高熱導(dǎo)率的金屬材料如Cu、AI等為導(dǎo)熱填料，進(jìn)行二相或多相體系的復(fù)合。目前歐洲和日本及美國(guó)都有公司報(bào)道有成熟產(chǎn)品在推廣使用。例如：荷蘭皇家帝斯曼集團(tuán)工程塑料推出了21世紀(jì)以來的第一種新型聚合物：Stanyl®TC系列導(dǎo)熱塑料可用于LED; 成為向LED照明應(yīng)用的塑料散熱管理解決方案的全球領(lǐng)先供應(yīng)商。美國(guó)先進(jìn)陶瓷公司和EPIC公司開發(fā)出熱導(dǎo)率達(dá)20.35W／(m•K)的BN／聚丁烯(PB)復(fù)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(jì)算機(jī)殼體等。

國(guó)內(nèi)利用模壓法制備了氮化鋁環(huán)氧樹脂(EP)導(dǎo)熱復(fù)合材料，AIN含量、粒徑、硅烷偶聯(lián)劑及加工工藝對(duì)體系導(dǎo)熱性能的影響。研究表明，隨著A1N含量、粒徑的增加，體系的導(dǎo)熱性能不斷提高；偶聯(lián)劑的加入增強(qiáng)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(dǎo)熱性能的提高。當(dāng)AIN粒徑為5．3微米含量為67v01％時(shí)，AIN／EP導(dǎo)熱復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為14W／(m•K)。

二：導(dǎo)熱機(jī)理

導(dǎo)熱高分子材料的導(dǎo)熱性能最終由高分子基體、導(dǎo)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(dǎo)熱性能相對(duì)較差。作為導(dǎo)熱填料來講，其無論以粒狀、片狀、還是纖維狀存在，導(dǎo)熱性能都比高分子基體本身要高。當(dāng)導(dǎo)熱填料的填充量很小時(shí)，導(dǎo)熱填料之間不能形成真正的接觸和相互作用，這對(duì)高分子材料導(dǎo)熱性能的提高幾乎沒有意義；只有當(dāng)高分子基體中，導(dǎo)熱填料的填充量達(dá)到某一臨界值時(shí)，導(dǎo)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(dǎo)熱網(wǎng)鏈。當(dāng)導(dǎo)熱網(wǎng)鏈的取向與熱流方向一致時(shí)，導(dǎo)熱性能提高很快；體系中在熱流方向上未形成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈時(shí)，會(huì)造成熱流方向上熱阻很大，導(dǎo)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(dǎo)熱網(wǎng)鏈成為提高導(dǎo)熱高分子材料導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵所在。

導(dǎo)熱理論模型：目前，導(dǎo)熱膠黏劑的研究主要集中在填充型導(dǎo)熱膠黏劑的研究上，結(jié)構(gòu)型導(dǎo)熱膠黏劑的研究還鮮有報(bào)道。許多研究者曾提出各種模型對(duì)填充導(dǎo)熱材料的熱導(dǎo)率進(jìn)行預(yù)測(cè)，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?jǐn)?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(shí)驗(yàn)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(rèn)為：在填充聚合物體系中，若所有填充粒子聚集形成的傳導(dǎo)塊與聚合物傳導(dǎo)塊在熱流方向上是平行的，則復(fù)合材料導(dǎo)熱率最高；若與熱流方向相垂直，則復(fù)合材料的導(dǎo)熱率為最低。該理論模型充分考慮了粒子對(duì)復(fù)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(dá)式為：
A=VfC21g),2+ (1一 )lg(c1A1)

式中，A為復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，A 和A 分別為聚合物和填料的導(dǎo)熱系數(shù)， 為填料的體積分?jǐn)?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(dǎo)熱鏈的自由因子。c越接近1，粒子就越容易形成導(dǎo)熱鏈，其對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本相符，其它幾種理論模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都有一定的偏差。

三：本文研究的目的

目前國(guó)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(duì)于降低LED產(chǎn)品成本具有極為現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)更加輕便、美觀的產(chǎn)品以便更快的向大眾消費(fèi)者推廣。我們基于廣泛研究的基礎(chǔ)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(gè)部位的溫度是否合符要求來檢驗(yàn)散熱塑料是否合格，以便大批量生產(chǎn)。
 

四：結(jié)果測(cè)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(biāo)準(zhǔn)IEC60598 12.4使用多路溫升測(cè)試儀測(cè)試燈杯各點(diǎn)溫度。

圖片：

 

測(cè)試結(jié)果：

1：8瓦LED筒燈溫度測(cè)試：
測(cè)試記錄
1、測(cè)試條件及要求：樣品通電（220V/50Hz）待溫度穩(wěn)定后記錄各點(diǎn)最高的溫度，要求不超過溫度限值
2、標(biāo)準(zhǔn)條款：IEC60598   12.4
3、測(cè)試儀器：多路溫升測(cè)試儀

最高溫差3.4度
 
2：10瓦LED筒燈溫度測(cè)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(cè)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(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度相差不大，最高溫差不超過6度，全部測(cè)試點(diǎn)的溫度都低于極限溫度，都能使用。從而達(dá)到了用散熱塑料代替鑄鋁來生產(chǎn)LED筒燈的目的。