與傳統(tǒng)鋁制散熱器相比，新型高導(dǎo)熱尼龍散熱器質(zhì)量下降30%，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)滿足LED后霧燈的散熱及力學(xué)要求，實(shí)現(xiàn)了在霧燈散熱器上的“以塑代鋁”。
自汽車誕生以來，車燈一直伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展不斷進(jìn)步。汽車車燈從最初的煤油燈、乙炔燈，到白熾燈以及二代的鹵素?zé)簦俚降谌碾瘹鉄?，如今已發(fā)展到第四代發(fā)光二極管(LED)燈。
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與傳統(tǒng)車燈相比，LED車燈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)能高亮、亮燈迅速、體積小、壽命長(zhǎng)，其在汽車照明領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用已成必然。
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LED車燈采用LED作為光源，與傳統(tǒng)光源相比光電轉(zhuǎn)化率較高，但仍有60%~80%的電能轉(zhuǎn)化為熱能; 另外，LED對(duì)溫度十分敏感，當(dāng)工作溫度超過承載溫度時(shí)會(huì)導(dǎo)致LED的發(fā)光效率快速降低，產(chǎn)生明顯光衰，嚴(yán)重縮短LED芯片的壽命; 因此 LED光源大多附帶散熱器以解決散熱問題。
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LED尾燈 ?圖源：智能汽車俱樂部
目前，LED光源散熱器多以鋁材通過壓鑄或擠出等工藝手段制備，通過修邊、拋光、鉆孔、氧化等多道工序后才能應(yīng)用于LED散熱; LED光源散熱器的制作工序復(fù)雜，成本高，且質(zhì)量大。
得益于改性塑料技術(shù)進(jìn)步，具有易加工、低密度、高熱導(dǎo)率的導(dǎo)熱塑料被開發(fā)出來，并被逐步應(yīng)用于換熱工程、采暖工程、電子電器等領(lǐng)域。在民用LED照明領(lǐng)域，導(dǎo)熱塑料散熱方案也被人們所接受，但其在車燈行業(yè)中的應(yīng)用還較少。
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LED車燈 ? 圖源：智能汽車俱樂部
那么高導(dǎo)熱尼龍材料是否能夠滿足散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能要求呢？是否滿足量產(chǎn)LED后霧燈項(xiàng)目整燈性能測(cè)試呢？與鋁制散熱器進(jìn)行比較又有何優(yōu)缺點(diǎn)呢？
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項(xiàng)目
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標(biāo)準(zhǔn)
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數(shù)值
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密度/(g·cm－3)
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ISO 1183—2019《塑料 非泡沫塑料的密度測(cè)定方法》
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1．72
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拉伸強(qiáng)度/MPa
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ISO 527—2012《塑料 拉伸性能的測(cè)定》
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54
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斷裂伸長(zhǎng)率/%
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ISO 527—2012《塑料 拉伸性能的測(cè)定》
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0.3
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彎曲強(qiáng)度/MPa
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ISO 178—2010《塑料 彎曲性能的測(cè)定》
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72
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簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度/(kJ·m－2)
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ISO 179—2010《塑料 簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)定》
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2.9
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面間導(dǎo)熱系數(shù)/(W·m－1·K－1)
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ASTM E 1461—2013《用閃光法測(cè)定熱擴(kuò)散率的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法》
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8.0
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原汽車后霧燈散熱器方案采用鋁型材擠壓成型，散熱器及其對(duì)應(yīng)的LED鋁基板見圖1。結(jié)合鋁制散熱器的散熱面積和在后霧燈總成零件中需要達(dá)到的散熱效果，在散熱器總尺寸不變的情況下，設(shè)計(jì)了高導(dǎo)熱尼龍散熱器，如圖2。
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該高導(dǎo)熱尼龍散熱器與LED鋁基板接觸部分結(jié)構(gòu)與鋁制散熱器相同，對(duì)散熱翅片厚度、間距、高度進(jìn)行設(shè)計(jì)，相關(guān)參數(shù)見表2。
表 2 ? 高導(dǎo)熱尼龍散熱器參數(shù)
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項(xiàng)目
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數(shù)值
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翅片厚度/mm
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2．5
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翅片間距/mm
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5
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翅片高度/mm
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15
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制件表面積/cm2
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105
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對(duì)高導(dǎo)熱尼龍散熱器的有效散熱面積進(jìn)行了提升，在基板部位尺寸不變的情況下，增大了翅片的高度，減薄單個(gè)散熱翅片，并增加翅片數(shù)量，得到改進(jìn)型高導(dǎo)熱尼龍散熱器。測(cè)試高導(dǎo)熱尼龍散熱器、改進(jìn)型高導(dǎo)熱尼龍散熱器和鋁制散熱器的散熱性能，結(jié)果見表3 。
表3 ?不同散熱器50℃下LED芯片實(shí)測(cè)針腳溫度Ts
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散熱器種類
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質(zhì)量/g
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表面積/cm2
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Ts/℃
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LED 1
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LED 2
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LED 3
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高導(dǎo)熱尼龍散熱器
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23．7
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105
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63.3
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68.1
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62.3
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改進(jìn)型高導(dǎo)熱尼龍散熱器
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27．6
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165
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61.1
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63.0
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63.8
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鋁制散熱器
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34．0
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150
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60.2
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61.5
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65.2
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(1) 高導(dǎo)熱尼龍散熱器與鋁制散熱器相同位置(見圖3中 LED1、LED2、LED3) 的 實(shí)測(cè)針腳溫度Ts都在60~70℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于LED的節(jié)溫上限，滿足LED的使用要求。
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(2)?高導(dǎo)熱尼龍散熱器與鋁制散熱器Ts相差不大，溫差為3~7K。??
(3)?改進(jìn)型高導(dǎo)熱尼龍散熱器的Ts與鋁制散熱器的Ts，溫差縮小到了2K以內(nèi)。
綜上分析，結(jié)合零件的尺寸、安裝空間等進(jìn)行散熱面積的最大化設(shè)計(jì)，優(yōu)化散熱器翅片結(jié)構(gòu)，增加散熱片面積，有利于提升高導(dǎo)熱尼龍散熱器的散熱效率，是提升高導(dǎo)熱尼龍散熱器散熱性能的有效手段， 可以為后續(xù)在高散熱要求的應(yīng)用中提供優(yōu)化思路。
由于零件安裝空間所限，后續(xù)性能驗(yàn)證采用的均是高導(dǎo)熱尼龍散熱器。
2 后霧燈總成點(diǎn)燈耐久性能驗(yàn)證
LED持續(xù)點(diǎn)燈2000h，試驗(yàn)中、試驗(yàn)后的配光性能均符合GB 11554—2008。試驗(yàn)前后，總成樣件和散熱器外觀正常、功能正常，表明高導(dǎo)熱尼龍散熱器滿足該后霧燈長(zhǎng)期耐久要求。
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圖源：智能車燈俱樂部
對(duì)高導(dǎo)熱尼龍材料進(jìn)行了不同溫度條件下熱老化性能的研究，結(jié)果見圖4。
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圖4 在不同溫度下長(zhǎng)期熱老化對(duì)材料性能的影響
由圖4可以看出: 高導(dǎo)熱尼龍材料熱老化前后，其缺口沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)的變化率都在10%以內(nèi)。
在高導(dǎo)熱尼龍散熱器進(jìn)行140℃/1000h老化后對(duì)其零件的散熱性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表4。
表4 ?140℃/1000 h 熱老化后高導(dǎo)熱尼龍散熱器50℃下LED芯片Ts實(shí)測(cè)溫度
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散熱器狀態(tài)
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質(zhì)量/g
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表面積/cm2
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Ts/℃
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LED 1
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LED 2
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LED 3
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熱老化前
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23．7
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105
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63．3
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68．1
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62．3
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熱老化后
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23．7
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105
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74．0
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72．6
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75．8
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可以看出: 140℃/1000h熱老化后，高導(dǎo)熱尼龍散熱器散熱性能有所降低，對(duì)應(yīng)的TS有所升高，老化前后TS變化在10K左右。
下圖為將裝有高導(dǎo)熱尼龍散熱器的后霧燈散熱器小總成放置在90℃/500h后，與高導(dǎo)熱尼龍散熱器直接接觸的硅膠密封圈、密封膠塞等后霧燈配件的照片。?
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圖5 后霧燈散熱器照片
由圖5可以看出: 實(shí)驗(yàn)前后硅膠密封圈無明顯變化，密封膠塞由于膠塞自身特性輕微黃變。
將實(shí)驗(yàn)后高導(dǎo)熱尼龍散熱器裝配到后霧燈總成，樣品完全浸沒到水平面下2.5 cm，施加7.0 kPa壓強(qiáng)，試驗(yàn)時(shí)間為5 min，無氣泡產(chǎn)生，滿足后霧燈總成氣密性要求。由以上可以評(píng)估，高導(dǎo)熱尼龍散熱器對(duì)與其直接接觸的配件硅膠密封圈、密封塞、導(dǎo)熱密封膠等無影響。
綜上，高導(dǎo)熱尼龍散熱器在散熱性能和零件性能上均滿足當(dāng)前所用后霧燈的使用需求，同時(shí)經(jīng)長(zhǎng)期老化耐久測(cè)試后各項(xiàng)性能變化較小，可以替代當(dāng)前霧燈的鋁制散熱器。
采用的高導(dǎo)熱尼龍材料密度僅為1.7 g/cm3，遠(yuǎn)小于鋁的密度(2.7g/cm3 )，可以實(shí)現(xiàn)制件質(zhì)量減重30%。同時(shí)，得益于國(guó)產(chǎn)高導(dǎo)熱尼龍材料的成本控制，相較于鋁制散熱器，單個(gè)高導(dǎo)熱尼龍散熱器在成本上也實(shí)現(xiàn)了接近30%的降低。
從散熱性能測(cè)試結(jié)果可以看出，由于此次實(shí)驗(yàn)選取的后霧燈本身對(duì)散熱要求不高，散熱要求的安全余量較大，因此可以替代鋁制散熱器。鑒于高導(dǎo)熱尼龍材料的力學(xué)性能無法與金屬鋁相比，相較于普通尼龍材料也有所降低，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需要著重關(guān)注。后續(xù)可以考慮采用將高導(dǎo)熱尼龍材料與鋁制件相結(jié)合，以塑嵌鋁的方式解決高散熱需求零件和強(qiáng)度問題。
由于高導(dǎo)熱尼龍材料具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的靈活性，加工工藝上的便捷性和無需表面處理等優(yōu)勢(shì)，在汽車輕量化的大需求背景下，其在汽車燈具上乃至具有散熱需求的各種部件上的應(yīng)用必將越來越廣泛。
參考資料：高導(dǎo)熱尼龍散熱器在汽車后霧燈上的應(yīng)用，智能車燈俱樂部。
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