2 陶瓷材料的熱輻射機(jī)理

    　我們知道，熱交換的基本途徑為：傳導(dǎo)、對流和輻射。為了有效散熱，人們常通過減少熱流途徑的熱阻和加強(qiáng)對流系數(shù)來實(shí)現(xiàn)，往往忽略了熱輻射。LED燈具一般采用自然對流散熱，散熱器將LED產(chǎn)生的熱量快速傳遞到散熱器表面，由于對流系數(shù)較低，熱量不能及時(shí)地散發(fā)到周圍的空氣中，導(dǎo)致表面溫度升高，LED的工作環(huán)境惡化。提高輻射率可以有效地將散熱器表面的熱量通過熱輻射的形式帶走，一般鋁制散熱器通過陽極氧化來提高表面輻射率，陶瓷材料本身可以具有高輻射率特性，不必進(jìn)行復(fù)雜的后續(xù)處理。

　　陶瓷材料的輻射機(jī)理是由隨機(jī)性振動(dòng)的非諧振效應(yīng)的二聲子和多聲子產(chǎn)生。高輻射陶瓷材料如碳化硅、金屬氧化物、硼化物等均存在極強(qiáng)的紅外激活極性振動(dòng)，這些極性振動(dòng)由于具有極強(qiáng)的非諧效應(yīng)，其雙頻和頻區(qū)的吸收系數(shù)，一般具有100~100cm-1數(shù)量級，相當(dāng)于中等強(qiáng)度吸收區(qū)在這個(gè)區(qū)域剩余反射帶的較低反射率，因此，有利于形成一個(gè)較平坦的強(qiáng)輻射帶。

　　一般來說，具有高熱輻射效率的輻射帶，大致是從強(qiáng)共振波長延伸到短波整個(gè)二聲子組合和頻區(qū)域，包括部分多聲子組合區(qū)域，這是多數(shù)高輻射陶瓷材料輻射帶的共同特點(diǎn)，可以說，強(qiáng)輻射帶主要源于該波段的二聲子組合輻射。除少數(shù)例外，一般輻射陶瓷的輻射帶集中在大于5m的二聲子、三聲子區(qū)。因此，對于紅外輻射陶瓷而言，1~5m波段的輻射主要來自于自由載流子的帶內(nèi)躍遷或電子從雜質(zhì)能級到導(dǎo)帶的直接躍遷，大于5m波段的輻射主要?dú)w于二聲子組合輻射。

　　劉維良、駱?biāo)劂憣Τ靥沾杉t外輻射做了研究，測試的陶瓷樣品紅外輻射率約0.82~0.94，對不同表面質(zhì)量的遠(yuǎn)紅外陶瓷釉面也進(jìn)行了測試，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)到國家日用瓷標(biāo)準(zhǔn)要求。崔萬秋、吳春蕓對低溫遠(yuǎn)紅外陶瓷塊狀樣品進(jìn)行了測試，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)。

 　　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。

      燈具型號為GU10，外形尺寸49.5mm×50mm，鰭片散熱器和燈座均采用95陶瓷材料，并通過螺紋連接。

　　燈具安裝三顆Handson（漢德森）LED光源，內(nèi)置恒流驅(qū)動(dòng)電源，總消耗功率約3.55W，采用透鏡配光，總光通量約150lm。

　　由于LED的結(jié)溫不能直接測得，常采用間接測試法，目前主要有2種：

　?、匐妳?shù)法：LED隨著結(jié)溫的上升，兩端電壓呈線性降低，比例系數(shù)K的典型值為4mV/℃，結(jié)溫可按式（1）進(jìn)行計(jì)算；②熱電偶間接測試法：通過測試LED焊腳的溫度sp間接得到結(jié)溫值，此時(shí)結(jié)溫可按式（2）進(jìn)行計(jì)算。

　　式中：為結(jié)溫，0為初始溫度，K為比例系數(shù)，△F為電壓變化的絕對值。

　　式中：為結(jié)溫，sp為LED焊腳的溫度，th為PN結(jié)到焊腳的平均熱阻，為芯片功率。

　　本次進(jìn)行溫度測試的方法為熱電偶測試法。LED焊腳測試點(diǎn)為兩處，燈體散熱器測試點(diǎn)為三處，環(huán)境溫度采用兩根熱電偶測試，測試結(jié)果如表3所示。

　　3.2 陶瓷LED燈具和鋁制壓鑄LED燈具的計(jì)算機(jī)仿真

　　為了研究和設(shè)計(jì)陶瓷LED燈具，我們借助計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行仿真分析。本次采用的流場分析軟件為Flo-EFD（簡稱EFD，EngineeringFluidDynamics），EFD為NIKA的旗艦產(chǎn)品，主要用于汽車、航空航天、機(jī)械、船舶、電子通訊、醫(yī)療器械、能源化工、暖通、流體控制設(shè)備、LED半導(dǎo)體行業(yè)等。軟件可進(jìn)行各種LED封裝產(chǎn)品、航空航天燈、各種節(jié)能燈、LED發(fā)光管、車用燈具、顯示屏等的熱分析。

　　為便于與實(shí)驗(yàn)測試進(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。

　　4 陶瓷材料用于LED照明燈具的前景

　　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，無釉表面容易污染等。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　總的來說，陶瓷材料用于LED的前景良好，特別適于體積較小的照明燈具。