作者：靳濤
東莞市普萬光電散熱科技有限公司總經(jīng)理
《2018阿拉丁照明產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書》顧問
在生產(chǎn)制造業(yè)中，常會用到與散熱相關(guān)的材料。導(dǎo)熱散熱材料的范圍其實很寬，它包含有金屬、硅脂、塑料等固體、液體、氣體不同介質(zhì)，其中塑料類導(dǎo)熱材料主要為高分子導(dǎo)熱塑料。高分子導(dǎo)熱材料目前已形成比較完備的分類如: 導(dǎo)熱橡膠、導(dǎo)熱塑料、導(dǎo)熱膠粘劑等。在塑料工業(yè)中，導(dǎo)熱塑料可以替代金屬材料用于制造與電子元器件相接觸的零部件，可以為電子元器件提供良好的散熱及絕緣功能。
導(dǎo)熱塑料作為一種全新的材料，已經(jīng)開始在市場上得到廣泛應(yīng)用，其導(dǎo)熱性能可以代替部分以鋁材加工而成的散熱器、外殼等，其特點為比重輕，易成型，成本低。具有塑料優(yōu)異的成型加工條件，同時導(dǎo)熱塑料具有更低的密度，更低的成本，可以替代金屬應(yīng)用于多種應(yīng)用場合下的散熱部件，引領(lǐng)著散熱部件向更輕量化、更環(huán)保邁進(jìn)。
導(dǎo)熱塑料分為兩大類，導(dǎo)熱導(dǎo)電塑料和導(dǎo)熱絕緣塑料。
導(dǎo)熱絕緣型塑料又分為：一般將導(dǎo)熱系數(shù)高于1 W/m-k的塑料稱為導(dǎo)熱塑料;將5-10 W/m-k的稱為高導(dǎo)熱塑料;將高于10 W/m-k的稱為超高導(dǎo)熱塑料，簡稱超導(dǎo)塑料。
金屬填料的導(dǎo)熱機(jī)理
金屬填料的導(dǎo)熱主要是靠電子運動進(jìn)行導(dǎo)熱，電子運動的過程伴隨著熱量的傳遞。
非金屬填料的導(dǎo)熱機(jī)理
非金屬填料導(dǎo)熱主要依靠聲子導(dǎo)熱，其熱能擴(kuò)散速率主要取決于鄰近原子或結(jié)合基團(tuán)的振動。包括金屬氧化物、金屬氮化物以及碳化物。
可以應(yīng)用于導(dǎo)熱塑料的基材有：PP、PC、PA、PPs、PEEK、LCP等。典型的熱傳導(dǎo)系數(shù)在1—20W/m-k. 這一數(shù)值大約是傳統(tǒng)塑料的5-100倍。PP在未經(jīng)改性之前，傳導(dǎo)系數(shù)通常在0.2 W/m-k。
導(dǎo)熱塑料因其具有較高的耐屈撓性和拉伸剛度，可主要用于代替一些對制件尺寸有嚴(yán)格要求的電子組件、光學(xué)組件、機(jī)械組件和醫(yī)用組件的金屬或陶瓷制件。把塑料成型的簡易性與優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性相結(jié)合，可以通過注射成型實現(xiàn)某些金屬或陶瓷一樣的熱傳遞能力。同時，這一新型材料可以為設(shè)計師提供更多的設(shè)計自由度，而且制件的重量只有鋁制品的一半。利用導(dǎo)熱塑料加工可縮短成型周期20%- 50%。
與鋁材等金屬材質(zhì)相比，其優(yōu)點在于:
1、 綠色環(huán)保:
符合 RoHs 認(rèn)證;2相對金屬更低的浪費
2、 安全:
電絕緣性;防止電擊;低產(chǎn)品安全認(rèn)證成本
3、設(shè)計自由:
重量較金屬輕視40%;設(shè)計靈活度高;表面較金屬可更美觀;優(yōu)異的體積和快速的生產(chǎn)周期
4、阻燃級：阻燃通常可達(dá)UL94-V0級
5、機(jī)械性能：低CTE提高尺寸穩(wěn)定性，降低尺寸收縮率;
6、應(yīng)用領(lǐng)域：LED散熱器、變壓器線骨圈、汽車照明零部件等電子領(lǐng)域;
用好的導(dǎo)熱塑料取代鋁合金，還具有以下技術(shù)優(yōu)勢:
1、導(dǎo)熱塑料絕緣耐高壓，能有效避免用鋁合金作為散 熱體所需要做的大量而昂貴的，符合安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的安全電源。
2、導(dǎo)熱塑料材質(zhì)能采用多種最新的電源設(shè)計方案：非隔離電源(提升LED燈的功率因素和電源效率);交流直接芯片驅(qū)動(無需電器元器件而直接采用IC進(jìn)行LED燈驅(qū)動，大幅提升LED整燈壽命);高壓燈珠方案(減少低流量，大幅降低LED整燈價格)
由于鋁合金非絕緣的特性，這些最新、效率最高、成本最低的LED方案，都無法在鋁合金散熱的基礎(chǔ)上實現(xiàn)。
目前市場應(yīng)用中，最常見為導(dǎo)熱塑料PA及普通塑料PBt兩種作為LED室內(nèi)散熱器替代金屬鋁材的重要塑料材質(zhì)。
那么，鋁材、導(dǎo)熱尼龍與PBT三者相比，性能如何?
LED的散熱問題一直是掣肘LED發(fā)展的最關(guān)鍵問 題，因為LED光電轉(zhuǎn)換效率大約只有 20% ~ 30%，大約70% ~ 80%的電能主要以非輻射復(fù)合發(fā)生的點振動的形式轉(zhuǎn)化為熱能;
發(fā)展的必然性:傳統(tǒng)的銅、鋁等材質(zhì)在導(dǎo)熱效果、重量、安全性、低碳環(huán)保等方面都面臨嚴(yán)峻考驗，高性能散熱材料市場需求將激增。
性能優(yōu)勢對比
使用遮光 PBt 生產(chǎn)常見問題
溢料飛邊、氣泡、縮痕、熔接痕、燒焦及黑紋、銀絲及 斑紋、表面劃痕、表面霧狀及花紋、雜質(zhì)、光澤不良、龜裂 泛白、脆裂、分層剝離、翹曲變形、脫模不良、模具嚴(yán)重腐蝕。 二次使用物性降解高達(dá)50%。
PBt性能缺點
(1) 結(jié)晶收縮率大，尺寸穩(wěn)定性差。容易發(fā)生翹曲，同時使無缺口沖擊強(qiáng)度下降;
(2) 對缺口敏感。由于PBt存在著這兩個突出缺點，因而限制了它的應(yīng)用。
另PBT基礎(chǔ)樹脂不具備防火阻燃性能，很多商家為了降低材料成本，常不添加阻燃劑，一些逐利廠家盲目追求低價，只要價格便宜便忽略防火問題。這一現(xiàn)象將產(chǎn)生重大隱患，大量非合格產(chǎn)品流入市面。
近年導(dǎo)熱塑料研究、應(yīng)用技術(shù)的重要進(jìn)展之一，是將它即保留原有的絕緣性、耐熱性、又新賦予其高導(dǎo)熱性的功能。國外對導(dǎo)熱高分子材料的研究大約起源于20世紀(jì)80年代(國內(nèi)從 20 世紀(jì)末才開始有零星相關(guān)研究報道)，20世紀(jì)90年代以來，世界上建立導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料熱導(dǎo)系數(shù)推測的數(shù)學(xué)模型研究工作，取得一定進(jìn)展，從而推動了導(dǎo)熱性高分子材料制造技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展。
由于高分子基體材料中基本上沒有熱傳遞所需要的均一致密的有序晶體結(jié)構(gòu)或載荷子。因此導(dǎo)熱性能相對較差。為了提高材料的導(dǎo)熱性，可以通過兩種途徑來解決：1、是制備結(jié)構(gòu)型導(dǎo)熱高分子材料;2、是通過向基體材料中添加導(dǎo)熱填料的方法來制備導(dǎo)熱高分子材料。
作為導(dǎo)熱填料來講，無論以粒狀、片狀還是纖維狀的形式存在，導(dǎo)熱性能都需高于基體本身的性能。當(dāng)導(dǎo)熱填料的填充量很小時，導(dǎo)熱填料之間不能形成真正的接觸和相互作用，這對高分子材料導(dǎo)熱性能的提高幾乎沒有意義。只有當(dāng)高分子基體中，導(dǎo)熱填料的填充達(dá)到某一臨界值時，導(dǎo)熱填料之間才有真正意義上的相互作用，體系中才能形成類似網(wǎng)狀或鏈狀的形態(tài)即導(dǎo)熱網(wǎng)鏈。當(dāng)導(dǎo)熱網(wǎng)鏈的取向與熱流方向一致時，導(dǎo)熱性能提高很快。
導(dǎo)熱塑料在諸多領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用價值。導(dǎo)熱塑料的高強(qiáng)度，重量比，易成型及耐腐蝕性目前雖然已經(jīng)在很多領(lǐng)域取代了金屬，但金屬仍然在導(dǎo)熱領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。也許有一天，通過技術(shù)研究的不斷突破，實現(xiàn)超導(dǎo)塑料的量產(chǎn)穩(wěn)定性，您家中的暖氣片、空調(diào)散熱機(jī)、冰箱散熱器、電視、電腦散熱器，甚至熱水管都會被導(dǎo)熱塑料取而代之。
盡管導(dǎo)熱塑料在市場中還未成為主流，但已有了長足的發(fā)展。許多特殊導(dǎo)熱場合希望其導(dǎo)熱材料具有優(yōu)良的綜合性能，如質(zhì)輕、耐化學(xué)腐蝕性強(qiáng)、電絕緣性優(yōu)異、耐沖擊、加工成型簡便等，而這些是傳統(tǒng)的金屬和金屬氧化物以及其他非金屬材料無法達(dá)到的。隨著科技的不斷進(jìn)步，人們對綠色能源材料的關(guān)注度也在不斷提高。環(huán)保、輕量化將成為趨勢。導(dǎo)熱塑料也必將在未來某些領(lǐng)域起到不可替代的作用。
其實導(dǎo)熱性能最好最佳的材料不一定就是最好的導(dǎo)熱材料。我們應(yīng)該要把產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、散熱要求、產(chǎn)品性能要求等等納入導(dǎo)熱材料選擇的范疇中。因為不需最好的導(dǎo)熱材料，只需最適合產(chǎn)品的導(dǎo)熱材料。
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