今天把強光探照燈的新型散熱材料介紹給大家
一、導熱塑料
導熱塑料利用導熱填料對高分子基本材料進行均勻填充，以提高其導熱性能，在強光探照燈散熱技術中得到廣泛應用，導熱性能的好壞主要用導熱係數（單位：W/m.K）來衡量。一般而言，導熱性能好的材料都是導電性能好的材料，反之導電性能差的塑料，其導熱性能也較差，所以金屬要比塑料的導熱性能好。但是，最近國際上研發了多種導熱塑料，其導熱能力約為傳統塑料的5~100倍。這樣的導熱塑料大多以工程塑料和通用塑料為基材，在塑料中填充某些金屬氧化物粉末、碳、纖維或陶瓷粉末而成。例如將聚苯硫醚與大顆粒氧化鎂（40~325目）相混合就可以製成一種絕緣性的導熱塑料。其典型的熱傳導率範圍為1~20W/(m·K),某些品級可以達到100W/(m·K)。如果為了得到高導熱率而添加過多的金屬粉末,就會變成具有導電性。
導熱塑料的導熱性能是由其材料導熱係數決定的。導熱塑料的導熱係數取決於塑料和導熱填料的共同作用,分散於樹脂中的導熱填料有粒狀、片狀、纖維狀等形狀。當用量較小時,填料雖能均勻分散於樹脂中,但彼此間尚不能形成接觸和相互作用,因而此時材料的導熱性提高不大;當填料用量提高到某一臨界值時,填料間能相互接觸和相互作用,使體系內形成了類似網狀或鏈狀的結構形態,即形成了導熱網鏈,當導熱網鏈的取向與熱流方向一致時,材料導熱性能提高很快;但若在熱流方向上未形成導熱網鏈時,則填料會在熱流方向上造成很大的熱阻,導致材料導熱性能很差。因此為獲得高導熱聚合物複合材料，在體系內部形成最大程度的導熱網鏈是提高其導熱係數的關鍵。
與鋁材料相比,導熱塑料有較高的耐屈撓性和拉伸剛度,但抗衝擊強度較差,而且其固有的低熱膨脹係數可有效減少製件收縮。鋁材料雖然作為散熱系統技術方面已經比較成熟，但仍有一些不足，導熱塑料相對鋁來說存在以下優點：
(1)質量輕。在室內照明中,燈具的重量對多方面都有影響,比如重量增加會加大燈具的安裝、運輸難度,也會對人身安全造成隱患等。純鋁的密度為2700kg/m3,鋁合金的密度將會更大,而導熱塑料的密度為1420kg/m3左右,約為鋁合金的一半,所以在外形相同的情況下,重量也僅為鋁合金的一半左右。
(2)絕緣。不用擔心因為燈的外殼導電而產生的安全隱患。在耐高壓測試方面,塑料具有絕對的優勢。
(3)可塑性強。鋁殼的主要生產方法是壓鑄或拉伸成型,在生產過程中無法進行較複雜形狀的加工。另外在表觀效果來說,注塑產品會更加容易生產,還可以加上與其它企業不同的自身標誌。效率更高塑料導熱材料與其他塑料件一樣,可以一次成型,無需後加工,而且在注塑成型時,模具可設計為一出四,所以工作效率很高。鋁材料在擠出成型後往往還要有去毛邊的程序,如果對外形的要求比較高的話,鋁材料還要進行鍍鎳等工序,加工周期還將增長。
(4)成本低。就單價來說,單位質量的導熱塑料價格必然是高於鋁的,但系統成本卻持平或較低,且數量越大,塑料的成本優勢越明顯。另外,塑料導熱材料目前處於一個初級階段,將來的價格隨產業的發展和產品量的增加一定會降低,而鋁作為有色金屬的價格卻不太可能有明顯的降低。塑料降低成本主要體現在加工費用方面,這也就降低了成本的壓力。
芬蘭 Kruunutekniikka Oy 公司在其最新專利 CoolicsTM 強光探照燈導熱部件中,採用
Therma-TechTM導熱塑料成功取代了鋁合金。增加了設計的靈活性、降低了燈具總體重量,
再加上熱塑性塑料的易加工性,達到提高生產效率的目標,這種新型塑料正越來越多地被
用於強光探照燈燈具的導熱部件,包括燈座、冷卻散熱燈杯和外殼等。飛利浦公司和帝斯曼公司通過合作研發,飛利浦生產的MASTER強光探照燈MR16新式燈具成為了全球首例大功率強光探照燈應用,其鋁質外殼被一種具有熱傳導性能的塑料 Stanyl TC 所取代。這種新型導熱塑料在
保持一般塑料材料優點的基礎上,增加了導熱係數,使其導熱係數達到一般塑料的10~50
倍,它所擁有的質量輕、更加環保和安全、提高設計自由度、加工方便、效率更高、啟動
系統簡化等優點是傳統金屬材料所不能比擬的。導熱塑料已經成為強光探照燈燈具產業化進程中一個重要的原材料。
塑料可以製作強光探照燈部件,如外殼、散熱器、基板、反射器、插件等。近幾年米國際小
塑料公司研發出了多種導熱塑料,大多選用工程塑料和通用塑料為基材,如PA、LCP
PET、PBT、PEEK、ABS、PP等。
二.陶瓷材料
人類對陶瓷材料的使用已有幾千年了,現代技術製備的陶瓷材料有著絕緣性好、導熱率高、紅外輻射率大、膨脹係數低的特點,目前,陶瓷材料主要用於強光探照燈封裝晶片的熱沉材料、電路基板材料和燈具散熱器材料。陶瓷材料是人類利用已久的絕緣材料,氧化鋁陶瓷以其價格便宜、導熱率高、輻射率大等特點逐步進入強光探照燈散熱器市場,可望成為未來強光探照燈主流的二次散熱材料。陶瓷密度約為3~4g/cm2,相對質量大,多用於小型室內照明燈具。陶瓷屬於非金屬材料,晶體結構中沒有自由電子,具有優秀的絕緣性能。它的傳熱屬於聲子導熱機理,當晶格完整無缺陷時,聲子的平均自由程越大,熱導率就越高。
陶瓷晶體材料的最大導熱係數高達320W/mK。在影響陶瓷材料導熱率的諸多因素中,結構缺陷是主要的影響因素。在燒結的過程中,氧雜質進入陶瓷晶格中,伴隨著空位、位錯、反相疇界等結構缺陷,顯著地降低了聲子的平均自由程,導致熱導率降低。現代陶瓷技術通過生成第二相,把氧固定在晶界上,減少了氧雜質進入晶格的可能性,隨著晶界處的氧濃度大大降低,晶粒內部的氧自發擴散到晶界處,使晶粒基體內部的氧含量降低,缺陷的數量和種類減少,從而降低聲子散射機率,增加聲子的平均自由程。由於製備技術的不同,陶瓷材料的熱導率也不一樣。
強光探照燈燈具散熱器用於將熱量散發到周圍的空間中,常採用氧化鋁(Al2O3)陶瓷材料,氧化鋁陶瓷價格便宜,技術成熟,採用壓鑄燒結技術,設計自由度大,價格較低,現階段得到一定規模的應用。現代工藝製備的陶瓷材料導熱率較高,空氣自然對流下,完全可以充當強光探照燈照明燈具的散熱材料。氮化鋁陶瓷可以直接作為封裝晶架或線路層;氧化鋁陶瓷價格便宜,燒結技術成熟,可釉成不同顏色,由於其電絕緣性能優良,並耐酸鹼性,受到
很多客戶的青睞。但是,陶瓷材料並不是完美無瑕的,陶瓷散熱器鰭片不能太薄(厚度≥
1.5mm),密度稍大(約為鋁的1.5倍),中高應力下會產生裂紋,無釉表面容易汙染等。總的來說,陶瓷材料用於強光探照燈的前景良好,特別適於體積較小的照明燈具。
三.納米輻射散熱材料
自然界中產生的輻射主要包括紫外線、可見光和紅外線(800~1400nm),前兩者主要輻射能量,紅外線才是輻射熱量。如果要加速物體散熱降溫的速度,就要增加物體的紅外輻射量,物體本身的輻射量是有限的,這樣就要在物體表面覆蓋一種材質,這種材質具有高輻射率、高發射率和高反射率,能輻射走的熱量要比物體本身輻射走的熱量快得多、大得多。
納米輻射散熱材料是一種輻射熱量的塗料,採用高導熱及熱輻射納米液,能夠以8~13.5μm 波長形式發射走所塗刷在物體上的熱量,降低物體表面溫度並以幹膜層內的納米空心陶瓷微珠組成的真空腔體群,形成有效的隔熱屏障,從而達到降溫隔熱的效果。輻射降溫塗料固化成膜後,首先塗膜表面形成良好的熱反射界面,在較寬的頻率範圍內其熱反射率達到60%~90%,而膜面吸收的熱僅為10%~40%,塗層膜面將大部分的熱以反射的形式擋在塗層外層。當膜面吸熱蓄積升溫的同時,吸熱界面將向膜外空間輻射散熱。由於基料的材質和膜層內結構的作用,膜面的熱輻射發射率可達90%左右,能把膜面吸熱蓄積的熱能以輻射的方式發射出去。
四.石墨烯散熱材料
石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料。石墨烯一直被認為是假設性的結構,無法單獨穩定存在,直至2004年,英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯,而證實它可以單獨存在。
石墨烯是傳統石墨材料中層狀結構中的一層或幾層,它是由碳原子組成的具有六邊形點陣的規則網絡結構。這種規則的二維平面網絡結構,顯示出了非常奇特的物理性能,並預示了若干重要的應用前景。由於石墨烯具有高透光率(透光率為97.7%)、高熱導率、高電導率、強度大等優良特性,利用這些特性人們已經製備了多種電子元器件。
五.鋁碳化矽散熱材料
把陶瓷採用高科技的手段跟鋁合金合起來的複合材料——鋁碳化矽。它是一種顆粒增
強金屬基複合材料,採用AI合金作基體,按設計要求,以一定形式、比例和分布狀態,用
SiC顆粒作增強體,構成有明顯界面的多組相複合材料,兼具單一金屬不具備的綜合優越
性能。通過改變SiC的含量,可以對AISiC材料的機械性能和熱性能進行調整(即其性能
是可裁剪的),包括熱膨脹係數、熱導率、硬度、扭曲和抗張強度。
在以往,電子工業中的導熱和結構方面的問題都是單獨依靠金屬或者陶瓷來解決,經常影響產品的性能和限制設計方案。鋁碳化矽材料為解決這些問題提供了一條全新的思路。
AISiC材料可以滿足各種各樣的性能和設計要求,提高系統的整體可靠性。
六. 聲子散熱材料
強光探照燈散熱是聲子、熱子、光子、磁子熱能量量子(準粒子)綜合運動的結果。其中聲
子是以準諧振方式(波的形式)進行散熱主運動,是在物質內部典型的微運動。聲子運動
頻率越快,與介質交換的速度越快,散熱效率越高。根據以上原理,我們利用純鋁為基材,
採用量子調控技術,加入熱運動簡諧振動頻率高的聲子晶體材料,並加入扼制非同諧運動
的聲子材料,製成比熱容高,熱平衡速度快,與空氣熱交換頻率高的高效散熱材料。
在強光探照燈晶片工作時,產生的熱能會轉換成電磁能向空間輻射散熱。同時可用技術手段
加速熱流運動的頻率,就像加速電流運動頻率一樣,對強光探照燈晶片進行主動散熱。由於熱能轉換電磁波頻域寬,熱上昇平衡時間與斷熱下降平衡時間短,為5~6分鐘,而傳統鋁為30~40分鐘,因此散熱速度快,靠近熱源端溫度低於遠離物源端5~10℃。
七.熱磁散熱材料
熱子是熱能近距離向空間(或介質)輻射散熱的主要方式,其表現形式為宏觀,是聲子將其運動到表面區域,使更多的熱能積聚在物質表面。在傳熱表面附著熱發射率高物質,能加速熱子向空間發射。由於熱聲子運動頻率加快,引發除光子以外的電磁運動,也就是熱能轉成電磁波向空間幅射。
很多物質在特定環境下內部結構的排列順序會發生變化,例如鐵在磁場環境下可以有序排列,形成N極和S極,而熱磁子材料在熱場環境下也能夠順序排列,形成熱極和冷極。
在電流通過導線時,導線的周圍會形成螺旋磁場。同樣,在熱流通過條形熱磁子材料時,條形熱磁子材料的周圍也會形成螺旋形的熱場,在螺旋熱場作用下形成熱氣流動,我們稱之為熱場氣流。熱場氣流與冷空氣形成主動交換,達到散熱的目的,因此,熱磁子散熱器屬於動態散熱類別。
與傳統散熱器對比:強光探照燈散熱器應用熱磁散熱材料、磁冷散熱材料,可以實現100W的強光探照燈光源散熱器重量小於2kg,減少金屬重量5~10倍,溫升小於20度,使強光探照燈真正成為溫度低、壽命長、成本低、用得起的新型光源。
熱磁散熱材料有如下特點:
材料合成簡單:在銅、鋁等散熱材料中加入微量的熱磁子添加劑,即可製成熱磁子散熱材料。由於添加劑中主要成分的比重與純鋁比較接近,熔點均低於400℃,因此材料的合成非常簡單。
動態散熱:熱磁子散熱器屬於動態散熱類別,與冷空氣的交換能力非常強。散熱效果比普通的銅、鋁製散熱器效果好很多。
生產效率高:熱磁子散熱器採用添加熱磁子材料的板材衝壓製造,生產效率非常高,比壓鑄、擠壓後再切削等散熱器製造工藝提高生產效率數十倍。
成本低:熱磁子散熱器的材料成本比普通鋁材的成本略低,同時又具備了重量輕、耗材少、加工效率高等特點,因此,散熱器的總成本大大低於普通鋁製散熱器。
傳熱層與散熱層、散熱體相結合的板式散熱器,將強光探照燈直接用SMD方法固晶在板式散熱器上面,開強光探照燈封裝先河,較好地解決了強光探照燈發熱、成本高、安裝困難等世界級難題,世界照明將正式步入強光探照燈照明時代。