LED行業(yè)塑料導熱材料與鋁材料對比報告

LED行業(yè)塑料導熱材料與鋁材料對比報告

LED是繼白熾燈、熒光燈和HID燈之后的第四代新型光源。LED光源的出現(xiàn)和發(fā)展，將引發(fā)照明領(lǐng)域的一次革命，具有劃時代的意義。概括的講，LED具有以下幾方面的優(yōu)點:①LED是環(huán)保性能最好的光源。LED的眩光少，光譜中沒有多余的紫外線和紅外線，不含汞等有害物質(zhì)，在運輸、安裝和使用中不會破碎，廢棄物可回收，沒有污染。②LED為固態(tài)冷光源，十分堅固耐用壽命非常長。③單色性好，色彩鮮艷豐富，燈光清晰柔和，并且可任意混合，從而使光色變幻多端。④體積小，重量輕，應(yīng)用靈活。⑤響應(yīng)速度快。白熾燈加電后需140-200ms的時間才能達到設(shè)定亮度，而LED通電后無需熱啟動時間，燈亮時間僅約60ns。⑥發(fā)光效率高，能量消耗低，較同樣發(fā)光效率的白熾燈可節(jié)電80%�；�于以上優(yōu)點，LED燈具將會是照明行業(yè)的一大發(fā)展趨勢，用于室內(nèi)照明的大功率LED燈具在數(shù)量上也將有很大的發(fā)展。一、LED燈具散熱系統(tǒng)的作用

當電流通過LED時，其PN結(jié)的溫度將升高。結(jié)溫的變化勢必引起內(nèi)部電子和空穴濃度、禁帶寬度和電子遷移率等微觀參數(shù)的變化，從而使LED的光輸出、發(fā)光波長以及正向電壓等宏觀參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化。（禁帶寬度是指一個能帶寬度(單位是電子伏特(ev)).固體中電子的能量是不可以連續(xù)取值的，而是一些不連續(xù)的能帶。要導電就要有自由電子存在。自由電子存在的能帶稱為導帶（能導電）。被束縛的電子要成為自由電子，就必須獲得足夠能量從而躍遷到導帶，這個能量的最小值就是禁帶寬度。）實驗發(fā)現(xiàn)，當LED結(jié)溫升高時，發(fā)光材料的禁帶寬度將減小，導致LED發(fā)生波長變長，顏色向紅色偏移。當LED結(jié)溫不超過其臨界溫度時，正向壓降隨溫度的變化是可逆的。一旦LED的結(jié)溫超過器件所能承受的最高臨界溫度時，LED的光輸出特性將會永久性的衰減。下圖為結(jié)溫不同時，光輸出與時間的關(guān)系，其中，紅色為結(jié)溫74℃，藍色為結(jié)溫為63℃。

由圖可見，當結(jié)溫為74℃時，光輸出衰減到50%所需時間為2年，而結(jié)溫為63℃時，這一時間即增加到6年，可見結(jié)溫對LED使用壽命的影響是非常巨大的。

綜上所述，在LED燈具中，散熱系統(tǒng)的作用就變的尤其重要。目前市場上大功率LED室內(nèi)照明燈具的散熱外殼基本全部為鋁，塑料導熱材料還處于初期起步階段。飛利浦MASTERLEDMR16新式燈具成為了全球首例大功率LED應(yīng)用，其鋁制外殼被StanylTC導熱塑料所取代，同樣達到了散熱的目的。下面兩張圖片中的鋁件雖然造型不同，起到的全部為散熱作用，圖一中燈具為大功率射燈，外殼為鋁材料外表鍍鎳的散熱系統(tǒng)，圖二為蠟燭燈，中間部分為二次加工后用于散熱的鋁材料。

下面圖片中為飛利浦公司推出的MASTERLEDMR16，其散熱外殼材料為帝斯曼公司開發(fā)的StanylTC導熱塑料。

二、導熱塑料作為散熱系統(tǒng)材料的可行性

在散熱系統(tǒng)方面，一直以來都是以鋁作為材料。塑料由于其導熱系數(shù)很小，不能滿足散熱要求，所從未用在LED散熱領(lǐng)域。目前帝斯曼公司推出的新型導熱塑料在保持一般塑料材料的優(yōu)點基礎(chǔ)上，增加了它的導熱系數(shù)，使其導熱系數(shù)達到一般塑料的10-50倍。鋁材料的導熱系數(shù)在200W/(mK)，關(guān)于材料導熱系數(shù)與溫度增加量的關(guān)系如下圖所示：

由圖可見，在導熱系數(shù)小于5時，屬于熱傳導受限的情況，這種情況下導熱系數(shù)很小的變化都會造溫度差很大的變化，一般的塑料導熱系數(shù)都在1以下，所以如果用于散熱系統(tǒng)將導致結(jié)溫的迅速上升，必然會降低LED燈具的使用壽命。在導熱系數(shù)大于5時，屬于對流受限情況，由圖可見當材料厚度在5mm及以下的情況下，導熱系數(shù)對溫度差的影響都是趨近于0，所以此時導熱系數(shù)是5W/mK或者200W/mK對結(jié)溫的影響已經(jīng)相差不大了。為了滿足不同情況下對材料導熱系數(shù)的要求，帝斯曼公司此次研發(fā)的新型導熱塑料中材料的導熱系數(shù)分不同等級，其中白色導熱塑料的導熱系數(shù)分別為2，4，6，8，而黑色的導熱塑料的導熱系數(shù)分別為10，15，最高可達18W/mK，可以滿足一般大功率LED燈具對散熱效果的要求。三、塑料導熱材料與鋁材優(yōu)劣對比

鋁材料雖然作為散熱系統(tǒng)技術(shù)方面已經(jīng)比較成熟，但仍有一些不足，同樣塑料導熱材料也不是完全沒有缺點，以下就是兩者的優(yōu)劣比較。首先是塑料導熱材料相對鋁來說存在的優(yōu)點：

（1）質(zhì)量輕在室內(nèi)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）更加環(huán)保和安全在塑料外殼的生產(chǎn)過程中，幾乎不會產(chǎn)生什么有毒污染，而鋁殼在生產(chǎn)中經(jīng)常會有電鍍的工序，而電鍍產(chǎn)生的廢液中的金屬會對水源和土壤造成嚴重的污染。安全方面塑料為絕緣材質(zhì)，不用擔心因為燈的外殼導電而產(chǎn)生的安全隱患。在耐高壓測試方面，塑料具有絕對的優(yōu)勢。

（3）提高設(shè)計自由度塑料的流動性很好，所以可以生產(chǎn)很薄的部件，以及設(shè)計更加復雜的形狀。鋁殼的主要生產(chǎn)方法是壓鑄或拉伸成型，在生產(chǎn)過程中無法進行較復雜形狀的加工。另外在表觀效果來說，注塑產(chǎn)品會更加漂亮，還可以加上與其它企業(yè)不同的自身標志。

（4）加工方便，效率更高塑料導熱材料與其他塑料件一樣，可以一次成型，無需后加工，而且在注塑成型時，模具可設(shè)計為一出四，所以工作效率很高。鋁材料在擠出成型后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。

（5）啟動系統(tǒng)簡化在外殼為鋁合金時，由于外殼導電，內(nèi)部必須采用隔離啟動系統(tǒng)，塑料本身絕緣，沒所以用作散熱系統(tǒng)時可以采用非隔離啟動系統(tǒng)，由于非隔離系統(tǒng)相對于隔離系統(tǒng)來說不僅成本較低而且體積較小，這樣不僅可以降低成本而且所占空間會更小。（6）降低系統(tǒng)成本就單價來說，單位質(zhì)量的導熱塑料價格必然是高于鋁的，但系統(tǒng)成本卻持平或較低，且數(shù)量越大，塑料的成本優(yōu)勢越明顯。另外，塑料導熱材料目前處于一個初級階段，將來的價格隨產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和產(chǎn)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(xiàn)在加工費用方面。但是塑料導熱材料與鋁相比也會有劣勢：

（1）導熱系數(shù)較低塑料的散熱系數(shù)始終比鋁低很多，所以即使散熱效果能夠達到要求，燈的溫度也會比鋁殼稍高。

（2）數(shù)量較小時成本問題以上的成本計算是建立在量比較大的情況下，如果量小時，塑料導熱材料的模具成本體現(xiàn)在每一個上面就會比較大，而鋁殼的使用廠家由于加工難度大一般會直接采購成品，不會有模具方面而導致的成本的問題。

（3）市場接受度鋁一直以來都是作為散熱系統(tǒng)的材料，但塑料作為散熱材料才剛剛起步，目前市場上也只有飛利浦公司推出了產(chǎn)品。所以很多廠家目前因擔心風險，因而不太愿意嘗試開模。

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當LED結(jié)溫升高時，發(fā)光材料的禁帶寬度將減小，導致LED發(fā)生波長變長，顏色向紅色偏移。當LED結(jié)溫不超過其臨界溫度時，正向壓降隨溫度的變化是可逆的。一旦LED的結(jié)溫超過器件所能承受的最高臨界溫度時，LED的光輸出特性將會永久性的衰減。

LED是繼白熾燈、熒光燈和HID燈之后的第四代新型光源。LED光源的出現(xiàn)和發(fā)展，將引發(fā)照明領(lǐng)域的一次革命，具有劃時代的意義。概括的講，LED具有以下幾方面的優(yōu)點:

①LED是環(huán)保性能最好的光源。LED的眩光少，光譜中沒有多余的紫外線和紅外線，不含汞等有害物質(zhì)，在運輸、安裝和使用中不會破碎，廢棄物可回收，沒有污染。

②LED為固態(tài)冷光源，十分堅固耐用壽命非常長。

③單色性好，色彩鮮艷豐富，燈光清晰柔和，并且可任意混合，從而使光色變幻多端。

④體積小，重量輕，應(yīng)用靈活。

⑤響應(yīng)速度快。白熾燈加電后需140-200ms的時間才能達到設(shè)定亮度，而LED通電后無需熱啟動時間，燈亮時間僅約60ns。

⑥發(fā)光效率高，能量消耗低，較同樣發(fā)光效率的白熾燈可節(jié)電80%。

基于以上優(yōu)點，LED燈具將會是照明行業(yè)的一大發(fā)展趨勢，用于室內(nèi)照明的大功率LED燈具在數(shù)量上也將有很大的發(fā)展。

一、LED燈具散熱系統(tǒng)的作用

當電流通過LED時，其PN結(jié)的溫度將升高。結(jié)溫的變化勢必引起內(nèi)部電子和空穴濃度、禁帶寬度和電子遷移率等微觀參數(shù)的變化，從而使LED的光輸出、發(fā)光波長以及正向電壓等宏觀參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化。（禁帶寬度是指一個能帶寬度(單位是電子伏特(ev)).固體中電子的能量是不可以連續(xù)取值的，而是一些不連續(xù)的能帶。要導電就要有自由電子存在。自由電子存在的能帶稱為導帶（能導電）。被束縛的電子要成為自由電子，就必須獲得足夠能量從而躍遷到導帶，這個能量的最小值就是禁帶寬度。）

實驗發(fā)現(xiàn)，當LED結(jié)溫升高時，發(fā)光材料的禁帶寬度將減小，導致LED發(fā)生波長變長，顏色向紅色偏移。當LED結(jié)溫不超過其臨界溫度時，正向壓降隨溫度的變化是可逆的。一旦LED的結(jié)溫超過器件所能承受的最高臨界溫度時，LED的光輸出特性將會永久性的衰減。

下圖為結(jié)溫不同時，光輸出與時間的關(guān)系，其中，紅色為結(jié)溫74℃，藍色為結(jié)溫為63℃。

由圖可見，當結(jié)溫為74℃時，光輸出衰減到50%所需時間為2年，而結(jié)溫為63℃時，

這一時間即增加到6年，可見結(jié)溫對LED使用壽命的影響是非常巨大的。

綜上所述，在LED燈具中，散熱系統(tǒng)的作用就變的尤其重要。目前市場上大功率LED室內(nèi)照明燈具的散熱外殼基本全部為鋁，塑料導熱材料還處于初期起步階段。飛利浦MASTERLEDMR16新式燈具成為了全球首例大功率LED應(yīng)用，其鋁制外殼被StanylTC導熱塑料所取代，同樣達到了散熱的目的。

下面兩張圖片中的鋁件雖然造型不同，起到的全部為散熱作用，圖一中燈具為大功率射燈，外殼為鋁材料外表鍍鎳的散熱系統(tǒng)，圖二為蠟燭燈，中間部分為二次加工后用于散熱的鋁材料。

下面圖片中為飛利浦公司推出的MASTERLEDMR16，其散熱外殼材料為帝斯曼公司開發(fā)的StanylTC導熱塑料。

二、導熱塑料作為散熱系統(tǒng)材料的可行性

在散熱系統(tǒng)方面，一直以來都是以鋁作為材料。塑料由于其導熱系數(shù)很小，不能滿足散熱要求，所從未用在LED散熱領(lǐng)域。目前帝斯曼公司推出的新型導熱塑料在保持一般塑料材料的優(yōu)點基礎(chǔ)上，增加了它的導熱系數(shù)，使其導熱系數(shù)達到一般塑料的10-50倍。鋁材料的導熱系數(shù)在200W/(mK)，關(guān)于材料導熱系數(shù)與溫度增加量的關(guān)系如下圖所示：

由圖可見，在導熱系數(shù)小于5時，屬于熱傳導受限的情況，這種情況下導熱系數(shù)很小的變化都會造溫度差很大的變化，一般的塑料導熱系數(shù)都在1以下，所以如果用于散熱系統(tǒng)將導致結(jié)溫的迅速上升，必然會降低LED燈具的使用壽命。在導熱系數(shù)大于5時，屬于對流受限情況，由圖可見當材料厚度在5mm及以下的情況下，導熱系數(shù)對溫度差的影響都是趨近于0，所以此時導熱系數(shù)是5W/mK或者200W/mK對結(jié)溫的影響已經(jīng)相差不大了。為了滿足不同情況下對材料導熱系數(shù)的要求，帝斯曼公司此次研發(fā)的新型導熱塑料中材料的導熱系數(shù)分不同等級，其中白色導熱塑料的導熱系數(shù)分別為2，4，6，8，而黑色的導熱塑料的導熱系數(shù)分別為10，15，最高可達18W/mK，可以滿足一般大功率LED燈具對散熱效果的要求。

三、塑料導熱材料與鋁材優(yōu)劣對比

鋁材料雖然作為散熱系統(tǒng)技術(shù)方面已經(jīng)比較成熟，但仍有一些不足，同樣塑料導熱材料也不是完全沒有缺點，以下就是兩者的優(yōu)劣比較。首先是塑料導熱材料相對鋁來說存在的優(yōu)點：

（1）質(zhì)量輕在室內(nèi)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）更加環(huán)保和安全在塑料外殼的生產(chǎn)過程中，幾乎不會產(chǎn)生什么有毒污染，而鋁殼在生產(chǎn)中經(jīng)常會有電鍍的工序，而電鍍產(chǎn)生的廢液中的金屬會對水源和土壤造成嚴重的污染。安全方面塑料為絕緣材質(zhì)，不用擔心因為燈的外殼導電而產(chǎn)生的安全隱患。在耐高壓測試方面，塑料具有絕對的優(yōu)勢。

（3）提高設(shè)計自由度塑料的流動性很好，所以可以生產(chǎn)很薄的部件，以及設(shè)計更加復雜的形狀。鋁殼的主要生產(chǎn)方法是壓鑄或拉伸成型，在生產(chǎn)過程中無法進行較復雜形狀的加工。另外在表觀效果來說，注塑產(chǎn)品會更加漂亮，還可以加上與其它企業(yè)不同的自身標志。

（4）加工方便，效率更高塑料導熱材料與其他塑料件一樣，可以一次成型，無需后加工，而且在注塑成型時，模具可設(shè)計為一出四，所以工作效率很高。鋁材料在擠出成型后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。

（5）啟動系統(tǒng)簡化在外殼為鋁合金時，由于外殼導電，內(nèi)部必須采用隔離啟動系統(tǒng)，塑料本身絕緣，沒所以用作散熱系統(tǒng)時可以采用非隔離啟動系統(tǒng)，由于非隔離系統(tǒng)相對于隔離系統(tǒng)來說不僅成本較低而且體積較小，這樣不僅可以降低成本而且所占空間會更小。

（6）降低系統(tǒng)成本就單價來說，單位質(zhì)量的導熱塑料價格必然是高于鋁的，但系統(tǒng)成本卻持平或較低，且數(shù)量越大，塑料的成本優(yōu)勢越明顯。另外，塑料導熱材料目前處于一個初級階段，將來的價格隨產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和產(chǎn)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(xiàn)在加工費用方面。

但是塑料導熱材料與鋁相比也會有劣勢：

（1）導熱系數(shù)較低塑料的散熱系數(shù)始終比鋁低很多，所以即使散熱效果能夠達到要求，燈的溫度也會比鋁殼稍高。

（2）數(shù)量較小時成本問題以上的成本計算是建立在量比較大的情況下，如果量小時，塑料導熱材料的模具成本體現(xiàn)在每一個上面就會比較大，而鋁殼的使用廠家由于加工難度大一般會直接采購成品，不會有模具方面而導致的成本的問題。

（3）市場接受度鋁一直以來都是作為散熱系統(tǒng)的材料，但塑料作為散熱材料才剛剛起步，目前市場上也只有飛利浦公司推出了產(chǎn)品。所以很多廠家目前因擔心風險，因而不太愿意嘗試開模

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