LED照明中陶瓷材料的應(yīng)用技術(shù)
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本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/168891.htm 劉維良、駱?biāo)劂憣?duì)常溫陶瓷紅外輻射做了研究，測(cè)試的陶瓷樣品紅外輻射率約0.82~0.94，對(duì)不同表面質(zhì)量的遠(yuǎn)紅外陶瓷釉面也進(jìn)行了測(cè)試，輻射率約0.6~0.88，并從陶瓷斷口SEM照片中得出遠(yuǎn)紅外陶瓷粉在釉中添加量為10wt%時(shí)的輻射性能、釉面質(zhì)量、顏色和成本較佳，其輻射率達(dá)到了0.83，其他性能均達(dá)到國(guó)家日用瓷標(biāo)準(zhǔn)要求。崔萬(wàn)秋、吳春蕓對(duì)低溫遠(yuǎn)紅外陶瓷塊狀樣品進(jìn)行了測(cè)試，紅外輻射率為0.78~0.94。李紅濤、劉建學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，常溫遠(yuǎn)紅外陶瓷輻射率一般可達(dá)0.85，國(guó)外Enecoat釉涂料最高輻射率可達(dá)0.93~0.94。眾多研究均表明，陶瓷材料或釉面本身具有很高的紅外輻射率，是其替代傳統(tǒng)鋁制散熱器的一大重要參數(shù)。為便于與實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行比較，計(jì)算機(jī)仿真分析時(shí)，將環(huán)境溫度設(shè)為15℃，得到的溫度分布如圖5所示（為便于查看，隱藏了透鏡及其固定部分）。為了比較95陶瓷燈具與鋁制壓鑄燈具的熱學(xué)性能，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真得到的溫度分布如圖6所示（燈具散熱器材料為鋁合金ADC12，燈座為PBT塑料，其余參數(shù)不變。） 3.3 結(jié)果分析 陶瓷燈具的燈座為95陶瓷材料（鋁制壓鑄燈具的燈座為PBT塑料），各部件得到了充分的利用。實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，1.0h基本達(dá)到熱平衡，環(huán)境溫度的算術(shù)平均值約14.4℃，將實(shí)驗(yàn)測(cè)試和計(jì)算機(jī)仿真的溫度分布值進(jìn)行分析比較，結(jié)果見表4所示。 計(jì)算機(jī)分析結(jié)果顯示，自然對(duì)流情況下，95陶瓷燈具的熱學(xué)性能不亞于鋁制壓鑄燈具，陶瓷燈具可以充分利用各個(gè)零部件的幾何特征，所以燈具的整體溫度降低到了較低水平。 陶瓷的使用具有悠久的歷史，現(xiàn)代工藝制備的陶瓷材料導(dǎo)熱率較高，空氣自然對(duì)流下，完全可以充當(dāng)LED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(jià)格便宜，燒結(jié)技術(shù)成熟，可釉成不同顏色，由于其電絕緣性能優(yōu)良，并耐酸堿性，受到很多客戶的青睞。但是，陶瓷材料并不是完美無(wú)瑕的，陶瓷散熱器鰭片不能太?。ê穸?ge;1.5mm），密度稍大（約為鋁的1.5倍），中高應(yīng)力下會(huì)產(chǎn)生裂紋，無(wú)釉表面容易污染等。
引言
LED是一種新型固態(tài)光源，自問(wèn)世以來(lái)受到了極大的關(guān)注。它的發(fā)光機(jī)理是靠PN結(jié)中的電子在能帶間躍遷產(chǎn)生光能。在外電場(chǎng)的作用下，電子與空穴的輻射復(fù)合發(fā)生電致作用，一部分能量轉(zhuǎn)化為光能，無(wú)輻射復(fù)合產(chǎn)生的晶格震蕩將其余能量轉(zhuǎn)化為熱能。
目前LED的發(fā)光效率僅20%~30%，其余能量大多轉(zhuǎn)化為熱能，大量的熱能需要及時(shí)地散發(fā)出去，否則將會(huì)使LED的壽命減少，甚至永久性失效。所以，在LED快速發(fā)展的同時(shí)，人們也不斷進(jìn)行著LED散熱新技術(shù)的研究。
金屬鋁材憑借著密度小、熱導(dǎo)率高、表面處理技術(shù)成熟的優(yōu)勢(shì)，一直占據(jù)著LED照明主體材料的市場(chǎng)。隨著人們對(duì)安全性能要求的提高，鋁材的導(dǎo)電性成為其一道致命的傷疤，為了提高LED照明燈具（下文簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)ED燈具）的使用安全性，電絕緣材料引起了人們的重視。
開始嶄露頭角的電絕緣材料有陶瓷材料和高熱導(dǎo)塑料。人類對(duì)陶瓷材料的使用已有幾千年了，現(xiàn)代技術(shù)制備的陶瓷材料有著絕緣性好、熱導(dǎo)率高、紅外輻射率大、膨脹系數(shù)低的特點(diǎn)，完全可以成為L(zhǎng)ED照明的新材料。目前，陶瓷材料主要用于LED封裝芯片的熱沉材料、電路基板材料和燈具散熱器材料。高熱導(dǎo)塑料憑借著其優(yōu)良的電絕緣性和低密度值，高調(diào)地進(jìn)入了散熱材料市場(chǎng)，現(xiàn)階段由于價(jià)格高，應(yīng)用率不大。本文主要討論陶瓷材料在LED照明中的應(yīng)用技術(shù)。
1 陶瓷材料的傳熱機(jī)理
陶瓷屬于非金屬材料，晶體結(jié)構(gòu)中沒有自由電子，具有優(yōu)秀的絕緣性能。它的傳熱屬于聲子導(dǎo)熱機(jī)理，當(dāng)晶格完整無(wú)缺陷時(shí)，聲子的平均自由程越大，熱導(dǎo)率就越高。理論表明，陶瓷晶體材料的最大導(dǎo)熱系數(shù)可高達(dá)320W/mK。
一般認(rèn)為，在影響陶瓷材料導(dǎo)熱率的諸多因素中，結(jié)構(gòu)缺陷是主要的影響因素。在燒結(jié)的過(guò)程中，氧雜質(zhì)進(jìn)入陶瓷晶格中，伴隨著空位、位錯(cuò)、反相疇界等結(jié)構(gòu)缺陷，顯著地降低了聲子的平均自由程，導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低?，F(xiàn)代陶瓷技術(shù)通過(guò)生成第二相，把氧固定在晶界上，減少了氧雜質(zhì)進(jìn)入晶格的可能性，隨著晶界處的氧濃度大大降低，晶粒內(nèi)部的氧自發(fā)擴(kuò)散到晶界處，使晶粒基體內(nèi)部的氧含量降低，缺陷的數(shù)量和種類減少，從而降低聲子散射幾率，增加聲子的平均自由程。由于制備技術(shù)的不同，陶瓷材料的熱導(dǎo)率也不一樣，常用陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)如表1所示。
陶瓷材料的熱導(dǎo)率與添加劑含量也有著密切的關(guān)系。河北工業(yè)大學(xué)的梁廣川等人對(duì)稀土氧化物Y2O3含量與密度和導(dǎo)熱率的關(guān)系也做了實(shí)驗(yàn)研究。他們采用的一種氮化鋁（AlN）陶瓷粉體為：平均粒度3m，氧雜質(zhì)含量0.97wt%，添加劑為純度99.95%的Y2O3。
經(jīng)過(guò)常壓氮?dú)猸h(huán)境燒結(jié)、拋光（光潔度0.25m）處理，粉體的Y2O3含量和導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，添加適量的稀土氧化物Y2O3可以使氮化鋁陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到160W/mK左右，已經(jīng)超過(guò)了壓鑄鋁材ADC12的導(dǎo)熱系數(shù)（ADC12的導(dǎo)熱系數(shù)為96.2W/mK），完全可以用作散熱器的制作材料。
3 氧化鋁陶瓷材料的LED照明燈具研究
3.1 陶瓷LED燈具實(shí)驗(yàn)測(cè)試
氧化鋁陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)與氧化鋁的成分（純度）有很大的關(guān)系（如表2所示）。常用的Nom.95%氧化鋁陶瓷（簡(jiǎn)稱為95陶瓷）導(dǎo)熱系數(shù)約22.4W/mK，耐壓10kV/mm，由此制成LED燈具的樣品如圖4所示。
評(píng)論