导热材料的发展史：让人们在夜晚拥有自己的光明

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发表时间：2021-02-27

文章来源｜热管理材料

火

让人类第一次在夜晚看到属于自己的光明

而随着现代照明的不断发展，人们的夜晚也变得越来越有趣

照明的不断发展，推动了照明材料的不断更新，路灯模组、工矿灯、投光灯、大厦美化等LED工业照明绚丽而明亮的光芒背后，离不开散热材料背后的 “默默贡献”。

散热材料的金属时代

LED

我们都知道，光是一种能量，在光电转化中，必定会有热量的产生。目前光电转化效率最高的LED输入功率中有 20-30%的能量会转变为有效照明，余下 70～80%的电能均转变成热。如果不能将集中在微小尺寸的芯片内的热量及时散逸出去，则会导致芯片温度升高和应力分布不均匀。当LED的结点温度超过器件能承受的最高温度时，LED的光输出特性将会永久性的衰减。所以LED照明中散热问题一直困扰着LED工业的发展，各式各样的散热器成为LED芯片的标配。

而一直以来散热器多由铝制备而成，但铝制散热器一直存在着一些缺陷，如重量大，后加工处理繁杂，加工过程污染，导电等。所以一直以来LED行业一直在寻求用新材料代替铝制散热器。近几年 导热塑料的出现在一定程度上弥补了上诉缺点，从而逐步在散热器领域展开深度应用。

是如何制成的

导热塑料

受结构特性限制，塑料的热导率普遍只有 0.2W/（m·K）左右，所以一直以来塑料多用在绝热领域，直到近年来随着导热塑料的涌现才开始在散热领域有所突破。

目前提高塑料导热性能的途径有两种：

一种是通过改变分子和链节结构，或者通过外力的作用改变分子和分子链的排列来获得特殊物理结构，从而提高材料的导热性能。这种方法成本高，方法复杂所以并不常用。

第二种也是现今采用最广泛的得到导热塑料的方法是通过 高导热材料对聚合物进行填充，制备导热填料/聚合物复合材料。

可以用作导热填料的粒子包括：

(1)金属粉末填料；

(2)金属氧化物；

(3)金属氮化物；

(4)无机非金属。

这类导热粒子在填充到聚合物基体中，通过微粒与微粒间的接触会形成一个三维网络，热量就可以沿着网络快速传递。

这一特性决定了填充型导热塑料必须加入大量填料才能形成导热网络而显示出良好的导热性能，但与此同时，大量填料的加入也导致了导热塑料的力学性能降低。所以目前填充型导热塑料大量的研究工作聚焦于较少损失力学性能的情况下提升材料的热导率，寻求力学性能和导热性能的平衡。

在LED照明散热领域的应用

导热塑料

导热塑料制造的LED照明散热器相比于传统的铝制散热器有着以下优点：

（1）密度小

铝的密度为2700kg/m3，而导热塑料的密度大多小于2000 kg/m3 。这就意味着外形一样的散热器，导热塑料散热器重量更轻。而LED照明灯具的重量对其的运输、安装及跌落隐患都有很大的影响。显然更轻的散热器再各方面都更有优势。

（2）提高设计自由度

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。相对的塑料的流动性更好，可以设计出更复杂更薄的形状。

（3）加工方便，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，模具可设计为一出多，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）更加环保和安全

在塑料外壳的生产过程中，几乎不会产生什么有毒污染，而铝壳在生产中经常会有电镀的工序，而电镀产生的废液中的金属会对水源和土壤造成严重的污染。

（5）简化启动

对于如球泡灯之类外壳散热的LED照明系统，当外壳为铝合金时，由于外壳导电，内部必须采用隔离启动系统，当绝缘导热塑料做外壳时就可以采用非隔离启动系统，这种启动相对于原本带隔离系统的启动方式来说不仅成本较低而且体积较小，这样不仅可以降低成本而且所占空间会更小。

（6）降低系统成本

作为一种新材料，单位质量的导热塑料价格目前是高于铝的，但作为整个散热系统成本却并不仅限于材料成本，还包括加工后处理及包装运输等。综合起来导热塑料散热器的综合成本相较于铝制散热器是有明显优势，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。

LED照明散热领域材料

应用实例

LED球泡灯外壳

用塑料代替铝做LED灯具外壳，首先要注意选用的塑料要有良好的绝缘性能，同时要求较高的散热性能，此外必须具有高熔点、高模量和高强度，并能经受多次高低温循环试验。这是因为灯具外壳并没有散热翅片，为减少壳体热阻，要求薄壁壳体，这对材料的流动性提出了极高的要求。目前多数球泡灯采用塑包铝的形式，即在铝灯壳的外部注塑包覆一层导热塑料，LED芯片产生的热量首先通过铝壳扩散到整个灯体，而外覆导热材料既起到的绝缘保护又起到了将热量散发到环境中的作用。总的来说应用于球泡灯的这类绝缘导热材料受限于成本及导热机理，材料的导热系数多局限于1W/m·k以下，技术含量不高。目前在这一领域的导热塑料厂家包括 广东伟的、杭州本松、江苏纳诺等。

LED车灯散热器

近年来LED车灯逐步取代传统的卤素灯和氙气灯成为主流。与民用的LED照明相比，LED车灯的单颗LED芯片功率更大，热流密度更大，散热要求更苛刻，而狭小的发动机舱决定了车灯LED散热器更加注重结构设计和重量。早先年导热材料由于导热系数无法达到散热的苛刻要求，LED车灯领域一直采用铝制散热器，但近年来随着塞拉尼斯，杜邦等公司开发出高热导率的导热塑料，用这类塑料制造的LED车灯散热器也开始应用于标致5008、福特野马GT350等车型上。国内各个车灯厂在早先年也接触过类似材料，但由于价格高企，力学性能无法满足车规要求等因素而未能推广开。近年来国内的杭州本松新材推出拥有自主知识产权的A190G6 TD系列高导热尼龙材料，其综合热导率能达到20W/m·K以上，在导热能力、力学性能上都超过国外的同类产品且成本大幅下降，从而重新引发了各家灯厂采用导热塑料的兴趣。目前 本松新材正与华域视觉、海拉车灯、星宇车灯等头部车灯企业展开合作，以期大规模推广国产LED车灯导热塑料散热器。

LED工业照明散热器

LED工业照明灯具的特点是单颗芯片功率小，照明总功率大，动辄100-200W的照明功率决定与之相配套的散热器体积巨大。这种情况下采用高热导率的导热塑料取代原先的铝制散热器可以有效减轻灯具质量，节省制造费用。同样的由于总发热量的提高，及散热器大体积带来的注塑工艺复杂化，对于用于这类散热器的导热材料在导热能力、力学性能、流动性等方面有很高的技术要求。

那么我们该如何选择厂家呢？

许多国际知名公司如帝斯曼、塞拉尼斯、杜邦等都有其自己的复合导热塑料系列，这些产品大多选用工程塑料和通用塑料为基材，如PA、LCP、PPS、PET、PBT、PEEK、ABS、PP等。国内的塑料改性企业在这一方面也有所涉猎，并不断取得突破，如 杭州本松新材拥有自主知识产权的的高导热碳素材料在导热性能、力学性能及成本上都领先于同类国外产品。

3月4日晚7:00-8:00，

杭州本松新材料技术股份有限公司/散热及屏蔽材料事业部负责人

巩玉钊

将做客材视专家课堂，为大家带来

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